電源管理通過(guò)一定的電路拓撲，將不同的電源輸入轉換成滿(mǎn)足系統工作需要的輸出電壓。電源直接影響著(zhù)系統性能，而決定電源性能的關(guān)鍵元件是電源管理芯片（Power Management Integrated Circuits，PMIC）。

PMIC最大的應用領(lǐng)域是電子消費產(chǎn)品，電信、工控設備、汽車(chē)終端等領(lǐng)域也都對PMIC有持續的需求。所有電子設備都有電源，但是不同的系統對電源的要求不同。為了發(fā)揮電子系統的性能，需要選擇適合的電源管理方式。

1.  電源轉換的基本需知

選擇適當的電源管理元件取決于該應用的輸入和輸出條件。

• 電源輸入是交流 (AC) 或直流 (DC)？

• 輸入電壓是高于或低于所需的輸出電壓？

• 所需的負載電流是多少？

• 負載是否對噪聲敏感，或需恒流（如LED的應用），又或是變化較大的電流？

各應用基于其特殊的需求，會(huì )選擇不同電源轉換元件。下圖顯示數個(gè)應用實(shí)例和其典型常用的電源轉換元件；

圖 1. 電源管理的應用實(shí)例

從上述實(shí)例可清楚知道，欲得最佳元件選擇就必須考慮各種參數。以下將會(huì )詳細介紹這些參數。

2.  電源管理 IC 的選用標準

在設計時(shí)，首先考慮的是輸入到輸出的電壓差 (V_IN - V_OUT)。在選擇最佳的電源解決方案時(shí)，該應用的特殊需求，如效率、 散熱限制、 噪聲、 復雜度和成本等都必須考慮。

表1. 選擇低壓差穩壓器、 降壓、升壓、升-降壓轉換器的基本標準

3.  檢視主要電源架構及電源管理元件

當 V_OUT 小于 V_IN，所需輸出電流和 V_IN / V_OUT 比是考慮選擇低壓差線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 或 降壓轉換器 (Buck)的重要因素。

低壓差線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 非常適合需要低噪聲、低電流及低 V_IN / V_OUT 比之應用。其基本電路圖可見(jiàn)圖 2。低壓差線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 藉由線(xiàn)性方式控制導通元件的導通，以調節輸出電壓。線(xiàn)性穩壓器提供準確且無(wú)噪聲的輸出電壓，能快速因應輸出端的負載變化。然而，線(xiàn)性調節意謂著(zhù)輸入輸出的電壓差乘上平均負載電流就是線(xiàn)性穩壓器導通元件所消耗的功率，即Pd = (V_IN - V_OUT) * I_LOAD 。高V_IN / V_OUT 比與高負載電流都會(huì )導致過(guò)多額外的功率損耗。

圖 2. 低壓差線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 基本電路示意圖

功率消耗較高的低壓差線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 需要較大的封裝尺寸，而這會(huì )增加成本、PCB 板空間和熱能消耗。所以當 LDO 功耗超過(guò) ~0.8W 時(shí)，較明智的作法是改采降壓轉換器作為替代方案。

在選擇 LDO 時(shí)，須考慮輸入和輸出電壓的范圍、LDO 的電流大小和封裝的散熱能力。LDO 電壓差是指在可調節范圍內，V_IN - V_OUT 的最小電壓。在微功率應用中，如需靠單一電池供電很多年之應用，LDO 靜態(tài)電流 I_Q 必須夠低，以減少電池不必要的消耗；而這類(lèi)應用就需要特殊的、具低靜態(tài)電流 I_Q 之低壓差線(xiàn)性穩壓器 (LDO)。

降壓轉換器是一種切換式降壓轉換器，它可在較高的 V_IN / V_OUT 比和較高的負載電流之下，提供高效率和高彈性的輸出。它的基本電路如圖 3 所示。大多數降壓轉換器包含一個(gè)內部高側 MOSFET 和一個(gè)低側作為同步整流器的 MOSFET，借著(zhù)內部占空比控制電路來(lái)控制兩者的交替開(kāi)、關(guān) (ON/OFF) 以調節平均輸出電壓。切換造成的噪聲可由外部 LC 濾波器來(lái)過(guò)濾。

圖 3. 轉換器基本電路示意圖

由于兩個(gè) MOSFET 是交替開(kāi)關(guān) (ON 或 OFF)，所以功率消耗非常��；藉由控制占空比，可以產(chǎn)生較大 V_IN / V_OUT 比的輸出。內部 MOSFET 的導通電阻 R_DS(ON) 決定了降壓轉換器的電流處理能力，而 MOSFET 的額定電壓決定最大輸入電壓。開(kāi)關(guān)切換頻率與外部 LC 濾波器元件則共同決定輸出端的紋波電壓大��；較高開(kāi)關(guān)切換頻率之降壓轉換器所用之濾波元件可較小，但開(kāi)關(guān)切換造成的功耗則會(huì )增加。具脈沖跳躍模式 (PSM) 的降壓轉換器會(huì )在輕載時(shí)降低其開(kāi)關(guān)切換頻率，從而提高輕載時(shí)的效率，此特性對需低功耗待機模式之應用是非常重要的。

升壓轉換器是用于 V_OUT 高于 V_IN 之應用�；�本電路圖如圖 4 所示。升壓轉換器將輸入電壓升至較高的輸出電壓。其操作原理是經(jīng)由內部 MOSFET 對電感器充電，而當 MOSFET 斷路時(shí)，透過(guò)至負載端之整流器將電感放電。電感充電轉為放電會(huì )使電感電壓變?yōu)榉聪�，從而升高輸出電壓使之高�?V_IN。MOSFET 開(kāi)關(guān)的 ON/OFF 占空比將決定升壓比 V_OUT / V_IN，并且反饋回路也控制占空比以維持穩定的輸出電壓。輸出電容是緩沖元件，用來(lái)減小輸出電壓連波。

MOSFET 電流絕對最大額定值和升壓比一起決定最大負載電流，而 MOSFET 電壓絕對最大額定值決定最大輸出電壓。有些升壓轉換器則會(huì )將整流器以 MOSFET 整合于內部，達到同步整流之功效。

圖 4. 升壓轉換器基本電路示意圖

升-降壓轉換器用于輸入電壓可能會(huì )改變，可低于或高于輸出電壓之應用。如圖 5 所示的升-降壓轉換器中，當 V_IN 高于 V_OUT 時(shí)，四個(gè)內部的 MOSFET 開(kāi)關(guān)將自動(dòng)配置成降壓轉換器，而當 V_IN 低于 V_OUT 時(shí)則轉為升壓操作模式。這使得升-降壓轉換器非常適合以電池作為供電之應用，特別是當電池電壓低于調節輸出電壓值時(shí)，得以延長(cháng)電池使用時(shí)間。因為四開(kāi)關(guān)升-降壓轉換器是完全同步的操作模式，故可達較高的效率。降壓模式時(shí)的輸出電流能力比升壓模式時(shí)為高；因為在相同的負載條件下，升壓模式和降壓模式相比之下，前者需要較高的開(kāi)關(guān)電流。

MOSFET的電壓絕對最大額定值將決定最大輸入和輸出電壓范圍。在輸出電壓不需要參考接地的應用中，如LED驅動(dòng)器，可使用只有單開(kāi)關(guān)和整流器的升-降壓轉換器。而在大多數情況下，輸出電壓是參考到VIN。

圖 5. 有四個(gè)內部開(kāi)關(guān)的升-降壓轉換器

多數的電源管理元件都是使用上述四個(gè)轉換器架構其中一種。

圖6. LED 驅動(dòng)器基本電路

保護功能

安全性和可靠性是電源供應器需特別注意的。大多數轉換器都包括保護功能，使其能在負載過(guò)大或工作溫度過(guò)高的情況下，將電源供應器安全地關(guān)閉。

功率開(kāi)關(guān)可用來(lái)控制電源軌是否接通于電路。其基本電路如圖 7 所示。

圖8. 電源監控 IC 偵測電源欠壓狀態(tài)

電池充電器 IC 可于應用中針對特定的電池提供正確的充電電流和電壓。

圖9. 線(xiàn)性電池充電器之基本電路

AC / DC 反激式控制器用于需將 AC 線(xiàn)電壓轉為一個(gè)穩定、隔離的電源電壓之應用。圖 10 所示為一個(gè)基本的反激式電源。

圖10. 基本 AC/DC 反激式電源

電源管理的趨勢

低功耗藍牙、Wi-Fi 6和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備帶來(lái)了連接性。但是，電源管理不僅僅需要高效芯片，來(lái)自電池或電源的電能也必須進(jìn)行調節和分配，如果設備由可充電電池供電，則有時(shí)需要充電。這意味著(zhù)，無(wú)論無(wú)線(xiàn)芯片中的處理器、無(wú)線(xiàn)電和內存多么高效，如果電源管理系統沒(méi)有進(jìn)行足夠的優(yōu)化，都會(huì )影響電池壽命。

構建高效的電源管理系統本來(lái)已經(jīng)是一項艱巨任務(wù)，而同時(shí)要實(shí)現緊湊型設計則更具挑戰性。許多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的空間是有限的，但傳統的電源管理解決方案通常由多個(gè)芯片組成，例如穩壓器、電池充電器、電量計、外部看門(mén)狗和硬復位裝置，這些都會(huì )占用寶貴的空間。

Nordic通過(guò)nPM系列電源管理IC (PMIC)解決了電源管理在效率和空間兩個(gè)方面的難題。該系列最新推出的 nPM1300具有高精度電量計，可準確測量電池剩余電量，延長(cháng)了物聯(lián)網(wǎng)設備的電池壽命。