詳解電源管理芯片的選型指南

電源管理通過一定的電路拓撲，將不同的電源輸入轉換成滿足系統工作需要的輸出電壓。電源直接影響著系統性能，而決定電源性能的關鍵元件是電源管理芯片(PMIC)，了解電源管理芯片(PMIC)的選擇準則非常有必要。

了解電源使用要求

要選擇適當的電源管理元件，首先應了解應用環境條件，如系統的輸入和輸出參數等，這些考慮因素包括：

電源輸入是交流(AC)、直流(DC)?

直接電源時，是USB供電，還是電池供電?

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?

安裝空間?在更小的空間內實現更大的功率。

不同的應用有各自特殊需求，需要采用對應的電源轉換方案和相匹配的電源管理IC，這些常見的IC有低壓差線性穩壓器(LDO)、DC/DC開關轉換器等。其中，DC/DC開關轉換器包括降壓轉換器(Buck)、升壓轉換器(Boost)、升/降壓轉換器(Buck-boost)三種。

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常見電源轉換方案對比

電路設計時，首先考慮的是輸入 - 輸出的電壓差(VIN - VOUT)。其次，根據應用的特殊需求，如效率、散熱限制、噪聲、復雜度和成本等都必要條件，選擇最適合的電源管理芯片(IC)。

當VOUT小于VIN時的選擇考慮

當VOUT小于VIN，所需輸出電流和VIN / VOUT比是考慮選擇LDO或Buck的重要因素。

(1)低VIN / VOUT應用選擇LDO

LDO線性穩壓器(Low Dropout Linera Regulator)以線性方式控制導通元件的導通，以調節輸出電壓，提供準確且無噪聲的輸出電壓，能快速因應輸出端的負載變化。因此，非常適合需要低噪聲、低電流及低VIN / VOUT應用。

在選擇LDO時，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，VIN - VOUT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靜態電流IQ必須夠低，以減少電池不必要的消耗;而這類應用就需要特殊的、具低靜態電流IQ之低壓差線性穩壓器(LDO)。

然而，線性調節意謂著輸入輸出的電壓差乘上平均負載電流就是線性穩壓器導通元件所消耗的功率。高VIN / VOUT比與高負載電流都會導致過多額外的功率損耗。而功率消耗較高的低壓差線性穩壓器(LDO)需要較大的封裝尺寸，這會增加成本、PCB板空間和熱能消耗。

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LDO基本電路示意圖

當LDO功耗超過~0.8W時，較明智的作法是改采Buck降壓轉換器作為替代方案。

(2)VIN / VOUT較高時選擇Buck降壓轉換器

Buck降壓轉換器(buck regulator)是一種開關式降壓轉換器，可在較高的VIN / VOUT比和較高的負載電流之下，提供高效率和高彈性的輸出。由于用途廣泛，降壓轉換器(Buck)還有降壓穩壓器(buck regulator)、步降開關穩壓器(DC-DC step-down switching regulator)兩個別稱，三者本質上指的是同一產品。

大多數降壓轉換器包含一個內部高側MOSFET和一個低側作為同步整流器的MOSFET，借著內部占空比控制電路來控制兩者的交替開、關(ON/OFF)以調節平均輸出電壓。切換造成的噪聲可由外部LC濾波器來過濾。

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Buck轉換器基本電路示意圖

由于兩個MOSFET是交替開關(ON或OFF)，功率消耗非常小。通過控制占空比，可以產生較大VIN / VOUT比的輸出。內部MOSFET的導通電阻RDS(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。開關切換頻率與外部LC濾波器元件共同決定輸出端的紋波電壓大小;較高開關切換頻率之降壓轉換器所用之濾波元件可較小，但開關切換造成的功耗則會增加。

具脈沖跳躍模式(PSM)的降壓轉換器會在輕載時降低其開關切換頻率，從而提高輕載時的效率，此特性對需低功耗待機模式之應用是非常重要的。

有些特殊降壓型架構，如ACOT具有非常快的回路響應，非常適合需要非常快速的負載瞬態反應，如DDR、Core SoC、FPGA和SIC等的電源應用。

VOUT高于VIN時選擇升壓轉換器

升壓轉換器(boost regulator)用于VOUT高于VIN應用，將輸入電壓升至較高的輸出電壓。升壓轉換器操作原理是經由內部MOSFET對電感器充電，而當MOSFET斷路時，透過至負載端之整流器將電感放電。電感充電轉為放電會使電感電壓變為反向，從而升高輸出電壓使之高于VIN。

MOSFET開關的ON/OFF占空比將決定升壓比VOUT / VIN，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，用來減小輸出電壓紋波。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將整流器以MOSFET整合于內部，達到同步整流之功效。

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升壓轉換器基本電路示意圖

輸入電壓不確定時選擇升-降壓轉換器

升-降壓轉換器(boost-buck regulator)用于輸入電壓可能會改變，可低于或高于輸出電壓之應用。當VIN高于VOUT時，四個內部的MOSFET開關將自動配置成降壓轉換器，而當VIN低于VOUT時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，得以延長電池使用時間。因為四開關升-降壓轉換器是完全同步的操作模式，故可達較高的效率。降壓模式時的輸出電流能力比升壓模式時高;因為在相同的負載條件下，升壓模式需要較高的開關電流。

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驅動器，可使用只有單開關和整流器的升-降壓轉換器。在大多數情況下，輸出電壓參考VIN。

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