单片机开发——电源管理芯片

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电源管理芯片（Power Management Integrated Circuits），是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片.主要负责识别CPU供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。常用电源管理芯片有LMG3410R050，UCC12050，BQ25790、HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。LMG3410R050 GaN功率级集成了驱动器和保护功能，使设计人员能够在电力电子系统中实现更高水平的功率密度和效率。LMG3410与硅MOSFET相比具有固有的优势，包括超低输入和输出电容，零反向恢复，可将开关损耗降低多达80％，以及低开关节点振铃，从而降低EMI。这些优势可实现密集且高效的拓扑结构，如图腾柱PFC。
LMG3410R050通过集成一系列独特功能简化设计，最大限度地提高可靠性并优化性能，为传统共源共栅GaN和独立GaN FET提供了智能替代方案。任何电源。集成门驱动器可实现100V /ns切换，并且零Vds振铃，<100 ns电流限制可自我保护，防止意外射击，过温关闭可防止热失控，系统接口信号提供自我监控功能。



主要电源管理芯片有的是双列直插芯片，而有的是表面贴装式封装，其中HIP630x系列芯片是比较经典的电源管理芯片，由著名芯片设计公司Intersil设计。它支持两/三/四相供电，支持VRM9.0规范，电压输出范围是1.1V-1.85V，能为0.025V的间隔调整输出，开关频率高达80KHz，具有电源大、纹波小、内阻小等特点，能精密调整CPU供电电压。

所有电子设备都有电源，但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能，需要选择最适合的电源管理方式。

首先，电子设备的核心是半导体芯片。而为了提高电路的密度，芯片的特征尺寸始终朝着减小的趋势发展，电场强度随距离的减小而线性增加，如果电源电压还是原来的5V，产生的电场强度足以把芯片击穿。所以，这样，电子系统对电源电压的要求就发生了变化，也就是需要不同的降压型电源。为了在降压的同时保持高效率，一般会采用降压型开关电源。

同时，许多电子系统还需要高于供电电压的电源，比如在电池供电设备中，驱动液晶显示的背光电源，普通的白光LED驱动等，都需要对系统电源进行升压，这就需要用到升压型开关电源。

此外，现代电子系统正在向高速、高增益、高可靠性方向发展，电源上的微小干扰都对电子设备的性能有影响，这就需要在噪声、纹波等方面有优势的电源，需要对系统电源进行稳压、滤波等处理，这就需要用到线性电源。

上述不同的电源管理方式，可以通过相应的电源芯片，结合极少的外围元件，就能够实现。可见，发展电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段。

电源管理的范畴比较广，既包括单独的电能变换(主要是直流到直流，即DC/DC)，单独的电能分配和检测，也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的，电源管理芯片的分类也包括这些方面，比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。下面简要介绍一下电源管理芯片的主要类型和应用情况。



如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制，要求占用PCB板面积小(如手机等手持电子产品)，电路电源不允许使用电感器(如手机)，电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能，要求稳压器压降及自身功耗低,线路成本低且方案简单，那么线性电源是最恰当的选择。这种电源包括如下的技术：精密的电压基准，高性能、低噪音的运放，低压降调整管，低静态电流。

在小功率供电、运放负电源、LCD/LED驱动等场合，常应用基于电容的开关电源芯片，也就是通常所说的电荷泵(Charge Pump)。基于电荷泵工作原理的芯片产品很多，比如AAT3113。这是一种由低噪声、恒定频率的电荷泵DC/DC转换器构成的白光LED驱动芯片。AAT3113采用分数倍(1.5×)转换以提高效率。该器件采用并联方式驱动4路LED。输入电压范围为2.7V～5.5V，可为每路输出提供约20mA的电流。该器件还具备热管理系统特性，以保护任何输出引脚所出现的短路。其嵌入的软启动电路可防止启动时的电流过冲。AAT3113利用简单串行控制接口对芯片进行使能、关断和32级对数刻度亮度控制。

而基于电感的DC/DC芯片的应用范围最广泛，应用包括掌上电脑、相机、备用电池、便携式仪器、微型电话、电动机速度控制、显示偏置和颜色调整器等。主要的技术包括：BOOST结构电流模式环路稳定性分析，BUCK结构电压模式环路稳定性分析，BUCK结构电流模式环路稳定性分析，过流、过温、过压和软启动保护功能，同步整流技术分析，基准电压技术分析。



除了基本的电源变换芯片，电源管理芯片还包括以合理利用电源为目的的电源控制类芯片。如NiH电池智能快速充电芯片，锂离子电池充电、放电管理芯片，锂离子电池过压、过流、过温、短路保护芯片；在线路供电和备用电池之间进行切换管理的芯片，USB电源管理芯片；电荷泵，多路LDO供电，加电时序控制，多种保护，电池充放电管理的复杂电源芯片等。

特别是在消费类电子方面。比如便携式DVD、手机、数码相机等，几乎用1块-2块电源管理芯片就能够提供复杂的多路电源，使系统的性能发挥到最佳。

电子设备所具备的功能越多、性能越高，其结构、技术、系统就越复杂，传统的模拟技术电源管理IC满足系统整体电源管理要求的难度也就越大，价格也更加昂贵。数字控制器的核心主要由三个特殊模块组成：抗混叠(anti-aliasing)滤波器、模数转换器(ADC)和数字脉冲宽度调制器(DPWM)。为了达到与模拟控制架构同等的性能指标，必须具备高分辨率、高速和线性ADC以及高分辨率、高速PWM电路设计。ADC分辨率必须能够满足误差小于输出电压允许变化的范围，所需的输出电压纹波越小，则对ADC的分辨率要求越高。同时，由于抗混叠滤波器以及流水线式或SAR模数转换器会引入环路延时，所以我们迫切需要高采样速率的模数转换器。模拟控制器对所产生的可能脉冲宽度存在固有的限制，而DPWM可以产生离散和有限的PWM宽度集。从稳定状态下的输出角度看，只可能有一组离散的输出电压。由于DPWM是反馈环路中的一部分，因此DPWM的分辨率必须足够高才能使输出不显示众所周知的极限周值。不显示任何极限周值所需的最少位数取决于拓扑、输出电压和ADC分辨率。同时，系统的环路稳定性由PI或者PID控制器来调整。

电源管理半导体本中的主导部分是电源管理IC，大致可归纳为下述8种。

1、AC/DC调制IC，内含低电压控制电路及高压开关晶体管，

2、DC/DC调制IC，包括升压/降压调节器，以及电荷泵

3、功率因数控制PFC预调制 IC，提供具有功率因数校正功能的电源输入电路

4、脉冲调制或脉幅调制PWM/ PFM控制IC，为脉冲频率调制和/或脉冲宽度调制控制器，用于驱动外部开关,

5、线性调制IC(如线性低压降稳压器LDO等)，包括正向和负向调节器，以及低压降LDO调制管

6、电池充电和管理I。包括电池充电、保护及电量显示I，以及可进行电池数据通讯“"智能"电池 IC;

7、热插板控制IC(免除从工作系统中插入或拔除另一接口的影响);

8、MOSFET或IGBT的开关功能ic。

在这些电源管理IC中，电压调节IC是发展最快、产量最大的一部分。各种电源管理IC基本上和一些相关的应用相联系，所以

针对不同应用，还可以列出更多类型的器件。

电源管理的技术趋势是高效能、低功耗、智能化。

提高效能涉及两个不同方面的内容:一方面想要保持能量转换的综合效率，同时还希望减小设备的尺寸;另一方面是保护尺寸

不变，大幅度提高效能。

LMG3410R050介绍
特性

TI GaN工艺通过加速可靠性应用硬切换任务配置文件进行认证

实现高密度电源转换设计< ul>

在共源共栅或独立GaN FET上具有出色的系统性能

低电感8mm x 8mm QFN封装，易于设计和布局

可调节驱动强度，实现开关性能和EMIControl

数字故障状态OutputSignal

仅+12 V未调节SupplyNeeded

集成门驱动器



零公共源电感

20 ns MHz操作的传播延迟

可靠性的工艺调谐栅极偏置电压

25至100V /ns用户可调节斜率


鲁棒保护



无需外部保护组件

过度保护，<100ns响应

＆gt; 150V /nsSlew速率抗扰度

瞬态过电压免疫

过温保护

U所有SupplyRails上的VLO保护

HIP6301介绍
该HIP6301多相PWM控制IC连同其同伴栅极驱动器，该HIP6601B ， HIP6602B ，HIP6603B或HIP6604B和外部MOSFET提供先进的精密调压系统微处理器。多相电源转换为标。从早期的单相转换器CON连接gurations出发以前采用，以满足日益增加的电流现代微处理器的需求。多相变流器，通过分配权力和负载电流的结果在具有较少的输入和体积更小，成本更低的晶体管输出电容器。这些减少的累积较高有效的转换频率更高的频率纹波到这个相位交错处理当前因拓扑结构。例如，三相转换器在运行在350kHz将具有1.05MHz的脉动频率。此外，这种设计的更大的转换器带宽，更快的结果负载瞬态响应。


HIP6301采用双列20脚封装。输出电压为直流1.1V-1.850V，精度为25mV，支持2、3、4相电源供应。

HIP6301引脚功能

VCC:工作电压输入脚。

VIDO至VID4:电压识别引脚。

PWM1至PWM4:每相控制脉冲输出，连接到从芯片的PWM引脚。

ISEN1至ISEN4:每相的电流反馈。

VSEN:核心电压反馈。

FB:内部误差放大器的反相输入端。

COMP:内部误差放大器的输出，用来补偿电压反馈信号。

FS/DIS:改变振荡器开关频率，或作为芯片使能。

PGOOD:电源好信号。

GND:接地。

常用经典电路：



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