电源管理-电源转换的基本概念是什么?

功率转换的基础知识:

电源管理组件的选择高度依赖于应用本身的电源输入和输出条件。选择合适的电源管理元件取决于应用的输入和输出条件。首先，确定输入和输出之间的电压差(VIN-VOUT)。其次，必须考虑具体的应用要求，如效率要求、热约束、噪声容限、系统复杂性、成本等，以确定最合适的电源解决方案。

输入电源是交流电源还是直流电源?输出电压比输入电压高还是低?负载电流是多少?系统是否需要动态调节负载电流?根据不同应用场合的特殊要求，将选用不同的功率转换元件。

电源管理ic (PMIC)的选择标准:

PMIC (Power Management IC)又称电源管理IC，是一种专用集成电路，其功能是对主系统进行电源管理。pmic通常用于使用电池作为电源的设备中。由于这类设备通常有多个电源，系统需要多个不同电压的电源，并且需要控制电池的充放电，传统上满足这些要求会占用大量的时间。更少的空间，同时增加了产品开发时间，从而创造了PMIC的出现。

PMIC的主要功能是控制电流的流向，以满足系统的需要。从多个电源中选择并分配给系统的各个部分，例如提供多个不同电压的电源，以及为内部电池充电。由于使用的大多数系统都是由电池供电，因此它们采用具有高转换效率的设计来减少功率损失。在设计时，首先考虑的是输入输出电压差(VIN - VOUT)。在选择最佳电源解决方案时，必须考虑应用程序的特定需求，例如效率、热约束、噪声、复杂性和成本。

电源管理集成电路(PMIC)是一种集成电路，在单个芯片中包含多个电源轨和电源管理功能。pmic通常用于为小型电池供电设备供电，因为将多种功能集成到单个芯片中可以更有效地利用空间和系统功率。通常集成到PMIC中的功能包括电压转换器和稳压器，电池充电器，电池燃料计，LED驱动器，实时时钟，功率顺序器和电源控制。低功耗pmic为可穿戴设备、可穿戴设备、传感器和物联网设备等空间受限的应用提供了高效、紧凑的外形。高性能pmic最大限度地提高了每瓦性能，同时提高了计算密集型平台(如soc, fpga和应用处理器)的系统效率。

当集成电路对象需要主体辅助工作时，需要稳定的电压供电。必须优先考虑电压的稳定性以及电源是否需要降压或升压。然后把精力投入到工作中。整个平台的运行来自于控制管理系统。

查看电源架构和电源管理组件:

当VOUT小于VIN时，所需的输出电流和VIN/VOUT比是选择低差线性稳压器(LDO)或降压转换器(Buck)的重要因素。低差线性稳压器(ldo)是理想的应用需要低噪声，低电流，低VIN/VOUT比。低差线性稳压器(ldo)通过以线性方式控制通程元件的导通来调节输出电压。线性稳压器提供准确和无噪声的输出电压，对输出端的负载变化做出快速响应。而线性调节则是指输入输出电压差乘以负载平均电流即为线性调节器的通元所耗散的功率，即Pd = (VIN - VOUT) * ILOAD。高VIN/VOUT比和高负载电流都会导致过多的额外功率损耗。

具有较高功耗的低差线性稳压器(ldo)需要更大的封装尺寸，这增加了成本，PCB空间和热能消耗。当LDO功耗超过~0.8W时，改用降压变换器更为明智。在选择LDO时，要考虑输入输出电压范围、LDO的电流水平和封装的散热能力。LDO压降是指VIN - VOUT在可调范围内的最小电压。在微功率应用中，如果应用需要使用单个电池供电多年，则LDO静态电流IQ必须足够低，以减少不必要的电池损耗。此类应用需要具有低静态电流IQ的特殊低差线性稳压器(ldo)。降压变换器是一种开关降压变换器，在更高的VIN/VOUT比和更高的负载电流下提供高效率和灵活的输出。大多数降压变换器包含一个内部高侧MOSFET和一个充当同步整流器的低侧MOSFET，由内部占空比控制电路控制，以控制两者的交替ON/OFF，以调节平均输出电压。开关引起的噪声可以通过外部LC滤波器过滤。

由于两个mosfet交替ON或OFF，因此功耗非常小。通过控制占空比，可以产生较大的VIN/VOUT比的输出。内部MOSFET的导通电阻RDS (ON)决定了降压变换器的电流处理能力，而MOSFET的额定电压决定了最大输入电压。开关频率和外部LC滤波器元件共同决定输出纹波电压的大小。开关频率较高的降压变换器中使用的滤波器元件可以更小，但开关所造成的功耗会增加。采用脉冲跳变模式(PSM)的降压转换器降低了轻负载时的开关频率，从而提高了轻负载时的效率，这对于需要低功耗待机模式的应用非常重要。

升压转换器用于VOUT高于VIN的应用中。升压转换器将输入电压提升到更高的输出电压。其工作原理是电感通过内部的MOSFET充电。当MOSFET关断时，电感通过整流器放电到负载上。对电感器进行充电和放电，使电感器电压反转，使输出电压高于VIN。MOSFET开关的ON/OFF占空比将决定升压比VOUT/VIN，反馈回路还控制占空比以保持稳定的输出电压。输出电容是用来减少输出电压纹波的缓冲元件。MOSFET的额定电流和升压比共同决定最大负载电流，而MOSFET的额定电压决定最大输出电压。有些升压变换器将整流器与MOSFET集成在一起，以达到同步整流的效果。

Buck-boost变换器用于输入电压可能变化的应用中，要么低于输出电压，要么高于输出电压。当VIN高于VOUT时，四个内部MOSFET开关自动配置为降压转换器，当VIN低于VOUT时切换到升压操作。这使得buck-boost转换器非常适合电池供电应用，特别是当电池电压低于调节输出电压时，延长电池寿命。由于开关降压-升压变换器是一种完全同步的操作模式，因此实现了更高的效率。降压模式下的输出电流能力高于升压模式。因为在相同的负载条件下，升压模式和降压模式相比前者需要更高的开关电流。MOSFET的额定电压将决定最大输入和输出电压范围。在输出电压不需要参考地的应用中，例如LED驱动器，可以使用只有单个开关和整流器的降压升压转换器。在大多数情况下，输出电压参考VIN。

PMIC系统设计的挑战:

• 管理多个输入电源、电池和负载之间的电源路径。
• 尽量减少热问题。
• 最大限度地提高效率(即给大容量电池充电)。
• 最大限度地提高USB端口的电流(2.5W可用)。
• 尽量减少溶液引脚的占地面积和高度。