電源管理芯片究竟管理些什么，又是怎么管的？

資源的日漸稀缺，使得全球的節能意識覺(jué)醒，這驅使著(zhù)一代又一代的科研人員奮力在節能發(fā)展的第一線(xiàn)。今天我們要說(shuō)的電源管理就是其中一個(gè)方面。數字技術(shù)、集成電路技術(shù)的不斷提高、時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，我們開(kāi)始追求裝置便攜化、小型化、多功能化，這些促使電源管理技術(shù)不斷向前發(fā)展。

本文詳細介紹了電源管理概念、分類(lèi)、工作方式等，讓大家更加了解電源管理的相關(guān)知識。電源管理芯片究竟管理些什么，又是怎么管的？

什么是電源管理

電源管理是指如何將電源有效分配給系統的不同組件。電源管理對于依賴(lài)電池電源的移動(dòng)式設備至關(guān)重要（比如：手機、筆記本電腦）。一個(gè)優(yōu)秀的電源管理系統能夠通過(guò)降低組件閑置時(shí)的能耗將電池壽命延長(cháng)2~3倍，電源管理技術(shù)是集電力變換，現代電子，網(wǎng)絡(luò )組建，自動(dòng)控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，應用領(lǐng)域廣泛涉及工業(yè)，交通，信息通訊，航天航空，國防教育，文化等。

電源管理的發(fā)展歷程

上世紀40年代晶體管問(wèn)世，不久后，作為電源管理技術(shù)的發(fā)展基礎的晶閘管在晶體管漸趨成熟的基礎上問(wèn)世，從而揭開(kāi)了電源管理技術(shù)長(cháng)足發(fā)展序幕。

1979年發(fā)明了功率場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET)，1986年高壓集成電路(HVTC)開(kāi)始出現，這就是最早的電源集成電路。

上世紀80年代，確定了集成化是電力電子技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，電源集成電路逐步成為功率半導體器件中的主導器件，開(kāi)啟了電源管理的新時(shí)代。自出現以來(lái)，電源管理技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，已經(jīng)成為了涵蓋生產(chǎn)生活大小方面的關(guān)鍵部分。

電源管理的分類(lèi)

從一定意義上來(lái)說(shuō)，“功率半導體”也稱(chēng)為“電源管理半導體”。也正是因為大量集成電路進(jìn)入電源領(lǐng)域，大家普遍將電源技術(shù)統稱(chēng)為“電源管理”。

電源管理半導體從所包含的器件來(lái)說(shuō)，明確強調電源管理集成電路（也稱(chēng)電源管理IC）的位置和作用。電源管理半導體包括兩部分，即電源管理集成電路和電源管理分立式半導體器件。

電源管理集成電路可以分成電壓調整器和接口電路兩類(lèi)。電壓調整器包含線(xiàn)性低壓降穩壓器（即LDO），以及正、負極輸出系列電路，此外有脈寬調制(PWM）型的開(kāi)關(guān)型電路等。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，集成電路芯片內集成的數字電路的物理尺寸日漸縮小，工作電源也隨之向低電壓發(fā)展，一系列新型電壓調整器應運而生。電源管理用接口電路主要有接口驅動(dòng)器、馬達驅動(dòng)器、功率場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）驅動(dòng)器以及高電壓/大電流的顯示驅動(dòng)器等等。

電源管理分立式半導體器件大致可以分成兩大類(lèi)，一類(lèi)包含整流器和晶閘管；另一類(lèi)是三極管型，包含功率雙極性晶體管，含有MOS結構的功率場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。

電源管理IC分類(lèi)

電源管理半導體中的主導部分是電源管理IC，大致可歸納為下述8種。

（1）AC/DC調制IC。內含低電壓控制電路及高壓開(kāi)關(guān)晶體管。

（2）DC/DC調制IC。包括升壓/降壓調節器，以及電荷泵

（3）功率因數控制PFC預調制 IC。提供具有功率因數校正功能的電源輸入電路。

（4）脈沖調制或脈幅調制PWM/ PFM控制IC。為脈沖頻率調制和/或脈沖寬度調制控制器，用于驅動(dòng)外部開(kāi)關(guān)。

（5）線(xiàn)性調制IC(如線(xiàn)性低壓降穩壓器LDO等)。包括正向和負向調節器，以及低壓降LDO調制管。

（6）電池充電和管理IC。包括電池充電、保護及電量顯示IC，以及可進(jìn)行電池數據通訊“智能”電池 IC。

（7）熱插板控制IC(免除從工作系統中插入或拔除另一接口的影響)。

（8）MOSFET或IGBT的驅動(dòng) IC。

以上電源管理IC中，電壓調節IC是發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一類(lèi)。各種電源管理IC基本上和一些相關(guān)的應用相聯(lián)系，根據不同應用領(lǐng)域，還可以延伸出更多類(lèi)型的器件。

電源管理IC應用領(lǐng)域

電源管理IC應用在便攜式產(chǎn)品(手機、數碼相機、筆記本電腦、MP3播放器、移動(dòng)硬盤(pán)等)、數字消費類(lèi)電子產(chǎn)品(高清晰度電視機、LCD電視機和面板、DVD播放機)、計算機、通信網(wǎng)絡(luò )設備、工業(yè)設備和汽車(chē)電子。其中消費類(lèi)電子產(chǎn)品是電源管理芯片的最大應用領(lǐng)域。

不管什么應用或產(chǎn)品都必須采用相應的電源管理技術(shù)才能充分發(fā)揮它們的功能。

電源管理IC如何工作

以移動(dòng)通信終端為例，進(jìn)一步說(shuō)明電源管理IC是如何工作的。

移動(dòng)通信終端普遍采用的都是鋰離子電池，所以電池管理的設計主要是根據鋰離子電池的特性展開(kāi)的。

放電工作原理

我們都知道，電池過(guò)放會(huì )給電池帶來(lái)災難性的后果，特別是大電流過(guò)放或反復過(guò)放，對電池的影響更大。鋰離子電源管理電路的功能之一就是為了保護鋰電池不至于過(guò)放。

蓄電池放電時(shí)，貯存的電能逐步釋放，電壓緩慢下降，當電壓降低到某一規定值時(shí)應停止放電，重新充電以恢復電池的貯能狀態(tài)，低于此規定值繼續放電，即為過(guò)度放電。過(guò)放電會(huì )破壞電極活性物質(zhì)，導致電池壽命縮短。

充電工作原理

鋰電池在充電時(shí)，充電管理電路是一個(gè)極其復雜的過(guò)程，既要保證鋰電池能夠充滿(mǎn)，又要保證鋰電池的性能，最重要的是要保證鋰電池不能過(guò)充。

過(guò)充電主要是指電池在充電時(shí)，在達到充滿(mǎn)狀態(tài)后，還繼續充電。這樣的做法可能導致電池內壓升高、電池變形、漏液等情況發(fā)生，電池的性能也會(huì )顯著(zhù)降低和損壞。“

整個(gè)充電電路應該具有以下幾種充電模式：

低電壓預充電模式;

全速充電模式;

涓流充電模式;

頂端截止、脈沖充電模式;

充電截止模式。”

不管是什么領(lǐng)域，技術(shù)的更迭換代是必然的，隨著(zhù)系統處理能力的增加、網(wǎng)絡(luò )帶寬的拓展，對電源器件和電源管理提出更多、更高的要求，越來(lái)越多的電子設備會(huì )內置數字信號處理器，SoC及其他數字電路，相應地，低輸出電壓、高電流的電源管理電路將會(huì )繼續有強勁的市場(chǎng)需求。電源管理IC也必須采用更先進(jìn)的技術(shù)，以實(shí)現多輸出和高集成度。而Type-C接口標準的大一統趨勢，USB接口的高效率充電也已經(jīng)成為相關(guān)芯片直面的問(wèn)題。