電子設備的能力管理大師（上）

芝識課堂【電源管理IC】——電子設備的能力管理大師（上）

在電子設備中罪不可缺少的單元是什么？非電源管理單元莫屬，它負責電子設備系統中電能的轉換、配電、檢測和其他電源管理。其主要負責將源電壓和電流轉換為可由微處理器、傳感器等負載使用的電源。作為管理電子設備電能供應的心臟，電源管理芯片是電子設備中必須一直保持工作狀態的單元，電源管理芯片一旦失效將直接導致電子設備停止工作甚至損毀，基于這樣的關鍵作用，電源管理芯片必須要滿足高穩定、高可靠、低功耗等要求。

隨著環保概念的提升，各種高能效等級標準的推行，加上今年開始的碳中和概念的日漸普及，對優秀電源管理芯片還增加了高能效和高集成度等新的要求，從而滿足電子設備更低功耗和更小尺寸的設計理念。作為全球電源管理芯片的領導廠商，我們一起來探討東芝如何提供高可靠、低功耗和高集成度的電源管理IC。

東芝半導體的電源管理IC支持設備多功能化和實現節能的功能，除了簡單的線性穩壓器IC、開關穩壓器IC和多功能系統電源IC之外，電源管理IC還包括負載開關IC，這種負載開關IC將在待機期間停止向負載供電并控制供電順序。

圖 1 東芝電源管理IC的產品分類

 根據系統要求的規格，常用電子設備中器件電源采用各種電源管理IC組合而成，通過各種功能的電源管理IC共同組成完整的電源管理系統，常見的電源管理結構示例見圖2。

圖2 系統中的電源線結構示例

為什么需要POL電源IC？

負載點 (POL) 電源供應系統的特點是電源管理模塊可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，由于使用的LSI具有低電壓和多功能性，因此需要具有低電壓容限和低噪聲的電源。同時，由于電路板布線較長，由串擾引起的電壓降和電源噪聲成為了需要解決的問題。對于這種應用，能在負載端（靠近待使用的電路塊）附近產生和提供電壓的POL（負載點）電源IC已引起了人們的廣泛關注。

圖3 典型的POL系統在產品板上的圖像

常用的本地電源IC的類型

目前POL電源結構中有兩種本地電源IC：（1）線性型和（2）開關型。電路設計人員可以正確選擇這些功率IC并將其放置在正確位置以最大限度提高設備的性能。

線性型包括串聯穩壓器（通常為LDO和3端穩壓器）和并聯穩壓器。生產低噪聲、高精度本地電源只需利用很少的外部零件，制作簡單、成本較低。但是損耗很高（效率低），且只能使用降壓型。特別是并聯穩壓器的效率非常低，目前往往不使用。

串聯穩壓器

并聯穩壓器

開關型電源管理IC通常被稱為DC/DC轉化器。根據電路配置，可以使用升壓型或降壓型。雖然損耗很低（效率高），但必須要使用線圈等外部零件，所以電路尺寸將變大，成本也增高。切換輸入直流電壓（~1MHz）以產生矩形波，該矩形波將被平整并轉化為所需的直流電壓。雖然東芝半導體提供的IC種類有限，但我們提供各種MOSFET，可用于DC/DC轉化器應用。

降壓型

升壓型

線性穩壓器的工作原理

串聯穩壓器

如圖所4示，串聯穩壓器不需要外部零件。（需要輸入／輸出電容器）MOSFET作為可變電阻進行工作，因此輸出電壓變為恒定電壓。

MOSFET的漏極和源極之間的電位差（V_IN－V_OUT）×輸入電流（I_IN）將產生損耗。例如，如果輸入是5V，輸出是3V，則效率是60%。它用于要求低噪聲和精確輸出電壓的電路電源。

并聯穩壓器

圖5中虛線所包圍的區域是并聯穩壓器中的IC。它需要三個外部電阻。內置晶體管作為可變電阻進行工作，因此I_K＋I_OUT＝I_IN＝常數。其結果是，在R_SD處產生的電壓變為恒定，并且輸出電壓變為恒定電壓。但除了輸出電流外，還需要通過晶體管的陰極電流。此外，在輸入側電阻R_SD處存在電壓降，這將降低效率。它用于低電流（~20mA）應用，比如開關電源參考電壓和開關電源光耦驅動電路。

圖4  串聯穩壓器

圖 5  并聯穩壓器

電源管理芯片對電子系統而言是不可或缺的，其性能的優劣對整機的性能有著直接的影響。在電源管理IC（下）中我們將為大家介紹開關穩壓器和LDO等相關的知識。