电源转换与管理

光彩 · 发表于 2006-10-1 19:16:00

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电源转换与管理

电源是电子产品中的一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。设计者要根据产品的要求来选择合适的电源IC。为了合理地选择电源IC，首先要了解各种电源IC及其特点。
3.3.1  电源IC分类
根据不同的工作原理可将电源分成3类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。它们各自都有一定的特点及适用范围。
1．线性稳压电源
线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般来说，线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。但近年来开发出的各种低压差（LDO）的新型线性稳压器IC，在输出100mA电流时，其压差在100mV左右（甚至于到70mV～80mV），某些小电流的低压差线性稳压器其压差甚至仅几十毫伏。这样，其调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此可减少功耗。另外，线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。
2．开关稳压电源
在便携式电子产品中，开关稳压电源主要是指DC/DC变换器。由于其器件中有一个工作在开关状态的晶体管（一般是MOSFET），故称为开关电源。开关管工作于饱和导通及截止两种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，效率较高（一般可达80%～95%），可以输出大电流，静态电流小。随着集成度的提高，许多新型DC/DC变换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大，成本相对较高。
DC/DC变换器IC包括升压式（VOUT>VIN）、降压式（VOUT<VIN）和反相式（也叫电压反转式）等电路。降压式主要用于工作电流大于1A的场合，如笔记本式计算机等。反相式DC/DC变换器的特点是可以获得负电压，并且可获得大于输入电压的负压，即|-VOUT|>VIN，可输出较大的电流。但采用电荷泵电路来获得负压更为简单，并且它有带线性稳压输出的电荷泵IC，所以电压反转式DC/DC变换器也很少用。
3．电荷泵电源
电荷泵的工作原理是利用高频振荡器控制电容的充/放电，将能量由输入传给负载（输出），其特点是体积小，电路结构简单，可产生输入的反相或倍压输出。基本的电荷泵电路的成本较低，它的优点是无须电感，只需要几个外接电容器，因而体积较小，并且效率高达95%。由于开关不停地动作，所以产生的噪声比较大，静态电流也比较大。另外，这种电路的输出电压只能取输入电压的倍数，例如，用4个内部开关和一个外接电容器就能够产生2VIN、1/2VIN或-VIN的输出。使用几个这样的充电泵可以得到其他倍数的输出电压，然而其成本和静态电流也会增加。所以，在传统的设计中，很少把电荷泵直接接到电源上，而是把它接在稳压器后面，用它产生辅助电源，为某一个器件供电。
3.3.2  电源IC的特点
由上节可见，电源IC种类繁多，它们的共同特点如下。
1．工作电压低
一般的工作电压为3.0V～3.6V。有一些工作电压更低，如2.0V、2.5V、2.7V等；也有一些工作电压为5V，还有少数12V或28V的特殊用途的电压源。
2．工作电流不大
从几毫安到几安都有，但由于大多数嵌入式电子产品的工作电流小于300mA，所以30mA～300mA的电源IC在品种及数量上占较大的比例。
3．封装尺寸小
近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件，电源IC也不例外，主要有SO封装、SOT-23封装、μMAX封装和封装尺寸最小的SC-70及最新的SMD封装等，使电源占的空间越来越小。
4．完善的保护措施
新型电源IC有完善的保护措施，这包括输出过流限制、过热保护、短路保护及电池极性接反保护，使电源工作安全可靠，不易损坏。
5．耗电小及关闭电源功能
新型电源IC的静态电流都较小，一般为几十微安到几百微安。个别微功耗的线性稳压器其静态电流仅3.1μA。另外，不少电源IC有关闭电源控制端功能（用电平来控制），在关闭电源状态的IC自身耗电在1μA左右。它可使一部分电路不工作，从而大大节省了电能。例如，在无线通信设备上，在发送状态时可关闭接收电路，在未接收到信号时可关闭显示电路等。
6．有电源工作状态信号输出
在不少便携式电子产品中都配置有单片机，当电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一定百分数时，电源IC会有一个电源工作状态信号输给单片机，使单片机复位，这个信号也可以作为电源工作状态指示（当电池低电压时，有LED显示）。
7．输出电压精度高
一般的输出电压精度为±2%～4%之间，有不少新型电源IC 的精度可达±0.5%～±1%，并且输出电压温度系数较小，一般为±0.3mV/℃～±0.5mV/℃，而有一些可达到±0.1mV/ ℃的水平。线性调整率一般为0.05%/V～0.1%/V，有的可达0.01%/V；负载调整率一般为0.3%/mA～0.5%/mA，有的可达0.01%/mA。
8．新型组合式电源IC
升压式DC/DC变换器的效率高，但纹波及噪声电压较大，低压差线性稳压器效率低，但噪声最小，这两者结合组成的双输出电源IC可较好地解决效率及噪声的问题。例如，在数字电路部分采用升压式DC/DC变换器电源而对噪声敏感的电路采用LDO电源，这种电源IC有MAX710/711、MAX1705/1706等。另一个例子是电荷泵+LDO组成，输出稳压的电荷泵电源IC，例如MAX868，它可输出0～-2VIN可调的稳定电压，并可提供30mA 电流；MAX1673稳压型电荷泵电源IC也可输出与VIN相同的负压，并且输出电流可达125mA。
3.3.3  电源IC选用指南
选择电源IC不仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性，还要考虑它的体积、重量及成本等问题。这里给出一些选择基本原则，以供参考。
1．优先考虑升压式DC/DC变换器
采用升压式DC/DC变换器不仅效率高，而且可减少功耗（减小整个电源体积及减轻重量）。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升压式DC/DC变换器IC，其静态电流仅16μA，在输出200mA时效率可达94%，在关闭电源时耗电仅0.1μA，并可选择电流限制来降低纹波电压。
2．采用LDO的最佳条件
当要求输出电压中纹波、噪声特别小，输入、输出电压差不大，并且输出电流不大于100mA时，采用微功耗、低压差（LDO）线性稳压器是最合适的。例如，采用3节镍镉、镍氢电池或采用1节锂离子电池，当输出3.0V～3.3V电压，工作电流小于100mA时，电池寿命较长，并且有较高的效率。
3．需负电源时尽量采用电荷泵
在便携式仪器中往往需要负电源，由于所需电流不大，所以采用电荷泵IC组成电压反转电路最为简单。若要求噪声小或要求输出稳压，可采用带LDO线性稳压器的电荷泵IC。例如，MAX1680/1681输出电流可达125mA，采用1MHz开关频率，仅需外接两个1μF小电容，输出阻抗3.5Ω，有关闭电源控制功能（关闭时耗电仅1μA），并可组成倍压电路；另一种带稳压输出的电荷泵IC MAX868，它输出可调（0～-2×VIN），外接两个0.1μF电容，消耗35μA电源电流，可输出30mA稳压的电流，有关闭电源控制功能（关闭时耗电仅0.1μA），小尺寸μMAX封装。
4．不要追求高精度、功能全的最新器件
电源IC的精度一般为±2%～±4%，高的可达±0.5%～±1%。要根据电路的要求选择合适的精度，这样可降低生产成本。功能较全的器件价格较高，所以不需要关闭电源功能的或产品中无微处理器（μP）或微控制器（μC）的，则无须选择带关闭电源功能或输出电源工作状态信号的器件，这样不仅可降低成本，而且其尺寸更小。
5．不要“大马拉小车”
电源IC最主要的3个参数是输入电压VIN、输出电压VOUT及最大输出电流Iomax。可根据产品的工作电流来选择：较合适的是工作电流最大值为电源IC最大输出电流Iomax的70%～90%。例如最大输出电流Iomax为1A的升压式DC/DC变换器IC可用于工作电流在700mA～900mA的场合，而当工作于20mA～30mA时，其效率则较低。如果产品有轻负载或重负载时，最好选择PFM/PWM自动转换升压式DC/DC 变换器，这不仅在轻负载时采用PFM方式耗电较小，而且正常负载时为PWM方式的效率也高，这种电源IC有TC120、MAX1205/1706等。
6．输出电流大时应采用降压式DC/DC变换器
便携式电子产品大部分工作电流在300mA以下，并且大部分采用5#镍镉、镍氢电池，若采用1～2节电池，升压到3.3V或5V并要求输出500mA 以上电流时，将会使得电池寿命不长或两次充电间隔时间太短，造成使用不便。这时可采用降压式DC/DC变换器，其效率与升压式差不多，但电池的寿命或充电间隔时间要长得多。
7．DC/DC变换器中L、C、D的选择
电感L、输出电容C及续流二极管或隔离二极管D的选择十分重要。电感L要满足在开关电流峰值时不饱和的条件（开关峰值电流要大于输出电流的3～4倍），并且要选择合适的磁心以满足开关频率的要求及选择直流电阻小的，以减少损耗。电容应选择等效串联电阻小的电解电容（LOW ESR），以降低输出纹波电压，可采用三洋公司的有机半导体铝固体电解电容（一般为几十至几百毫欧）。二极管必须采用肖特基二极管，并且要以满足大于峰值电流为要求。

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