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电源芯片在电子系统中负责管理、转换和分配电

作者:旋乐吧  日期:2025-12-15  浏览:  来源:旋乐吧网站

电源芯片在电子系统中负责管理、转换和分配电能,按功能和应用可分为多类,包括线性稳压、开关稳压、集成电源管理、无源升降压方案、AC-DC转换方案、DC-DC模块、以及电池管理等。下文对各类主流芯片及设计要点进行梳理,便于选型与应用。

一、线性稳压器(LDO,Low Dropout Regulator)

原理要点

- LDO内部通常由四大核心部分组成:取样/感知、基准电压、误差放大、晶体管(或Mos管)调节。晶体管调节部分可采用MOSFET或双极晶体管,差异在于最小压差区的工作状态。

- 若采用MOSFET,则工作在源极饱和区,此时漏极电流受栅源电压控制,形成一个以电压控制电流源为特征的放大区结构。

功能与定位

- 通过线性方式将输入电压“降”到稳定的低压输出,输出电压相对输入端浮动较小。效率取决于压差,压差越大损耗越高。

- 特点包括结构简单、噪声低、成本低、但发热量较大,适用于对噪声敏感的低压电路和低压差场景。

典型应用与样例

- 典型可用于传感器、音频前端、低噪声模拟/信号电路等场景。

- 常见型号有 LM1117、AMS1117、LT1086 等(不同固定输出或可调输出,需结合具体封装与限流热关断特性)。旋乐吧spin8

限流与热关断(保护机制)

- 限流:为防止过载或短路时损坏内部功率管或外部电路,LDO 设有电流检测与限制回路。常见模式包括恒流限流和折返限流。限流会在超过阈值时降低输出或切断电流,短路时输出接近0V但电流被控在安全范围。

- 热关断:当结温超过安全阈值(通常在125–150℃之间)时,强制关闭输出,保护内部元件。温度降至安全区后可自动恢复或需重新上电。

设计要点与实用要素

- 压差(Dropout Voltage):Vout 与 Vin 的最小差值。普通LDO常见约0.5–2V,超低压差LDO(VLDO)可低至几十毫伏。设计时需确保 Vin≥Vout+Vdropout(max)。

- 自放电与软启动:断电后的输出电容可能残存电量,引发输出尖峰,带自放电功能的LDO能泄放输出端电量;软启动可平滑输出上升,降低浪涌。

- EN 引脚与上拉电阻:使能信号需要驱动电流,适度的上拉电阻通常在几十到数十万欧姆范围,若需延时可在 EN 引脚并联较大电容形成 RC 延时。

- 假负载与反馈:部分芯片对负载有最低电流要求,若低于该值可能稳定性下降,需要设定对地泄放通路确保稳定。

- 输入/输出/基准电容:常用输入电容、输出电容(容量和 ESR 对环路响应影响大)、基准电压端的降噪电容(如0.1 μF)用于降低基准噪声、前馈/前路补偿电容提升带宽和相位裕度、输出端的小电容用于高频降噪。

- 封装与散热:输出功耗受压差和负载电流影响,DFN 等封装通常散热优于小封装。

Dropout 与 VLDO

- 常规LDO的压差随负载电流变化,负载越大,压差越大;VLDO 则致力于把压差降低到几十毫伏级别,以提升效率与降低发热,但成本与工艺要求相应提升。

二、开关稳压器(Switching Regulator)

原理要点

- 使用开关元件与储能元件(电感、电容)通过高频开关实现高效电压转换,常见工作形态包括降压、升压、降升压混合,以及隔离型拓扑如反激等。

常见拓扑

- 降压(Buck):输入高于输出,效率通常可达较高水平(常见局部可达90%以上)。

代表性型号与应用场景多见于消费电子与通用电源。

- 升压(Boost):输入低于输出,用于提升电压等级的场景。

- 降升压一体(Buck-Boost):输入电压可高于或低于目标输出,广泛应用于锂电池供电等可变输入场景。

- 反激(Flyback):可实现隔离,通常用于AC-DC、低功耗的电源设计。

三、电源管理集成电路(PMIC)

功能定位

- 将多路稳压、充电管理、监测、保护等功能集成在同一芯片内,适合复杂系统的电源管理需求。

特点

- 高集成度、减少外部元件、简化系统设计和布局。

典型应用

- 智能手机、嵌入式系统、物联网设备等对功耗与体积有较高要求的场景。

四、电荷泵(Charge Pump)

功能要点

- 通过电容的充放电实现电压升降,无需电感,体积小、噪声低,适用于对噪声敏感、功率需求较小的场景。

典型应用

- LED 驱动、LCD 偏压、小功率升压等领域。

代表型号

- LTC1044、MAX660 等。

五、交流-直流转换器(AC-DC Converter)

功能要点

- 将交流电转为稳定直流电,常见拓扑包括反激、正激、LLC 谐振等。

典型应用

- 适配器、家用电源、工业电源。

代表型号

- 常用 PWM 控制与集成 MOSFET 的方案,如 UC3842、OB2532 等。

六、直流-直流模块(DC-DC Module,隔离与非隔离)

隔离型

- 实现输入输出电气隔离,适用于工业、医疗等对安全与隔离要求高的场景。

非隔离型

- 常用于板级的电压转换,体积较小、集成度高。

七、电池管理芯片(BMS IC)

功能要点

- 提供充放电管理、监测电量与状态、保护(过充、过放、短路等)等功能,适用于移动设备、电动汽车、储能系统等。

应用示例

- 针对锂电池的充电管理与保护方案,如特定厂商的 BMS 系列。

八、其他特殊类型

- 热插拔控制器:防止带电插拔对电路造成损害,常见于服务器电源等场景。

- 数字电源IC:通过软件参数配置实现灵活控制(如数字 PWM 控制)。

- 多相控制器:用于高电流、低压差供电需求,如处理器供电的多相方案(DrMOS 等)。

选型要点

- 输入/输出电压范围、输出电流能力、效率与散热、噪声特性、成本与封装尺寸等。

- 根据具体应用需求(如高效、紧凑、低噪声、成本敏感等)选择合适的芯片类型和拓扑。

- 结合系统热设计与电源布局,确保在工作条件下稳定可靠。

备注:以上内容聚焦各类电源芯片的功能、原理、典型应用及设计要点,便于在系统设计初期进行类型筛选与要点对照。

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