电源管理芯片（PMIC）的选用准则

面包板社区 2022-03-21 20:00

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电源管理通过一定的电路拓扑，将不同的电源输入转换成满足系统工作需要的输出电压。电源直接影响着系统性能，而决定电源性能的关键元件是电源管理芯片（PMIC），了解电源管理芯片（PMIC）的选择准则非常有必要。

了解电源使用环境

要选择适当的电源管理元件，首先应了解应用环境条件，如系统的输入和输出参数等，这些考虑因素包括：
电源输入是交流（AC）、直流（DC）？
直接电源时，是USB供电，还是电池供电？
输入电压是高于或低于所需的输出电压？
所需的负载电流是多少？
负载是否对噪声敏感，或需恒流（如LED的应用），又或是变化较大的电流？
安装空间？在更小的空间内实现更大的功率。

不同的应用有各自特殊需求，需要采用对应的电源转换方案和相匹配的电源管理IC，这些常见的IC有低压差线性稳压器（LDO）、DC/DC开关转换器等。其中，DC/DC开关转换器包括降压转换器（Buck）、升压转换器（Boost）、升/降压转换器（Buck-boost）三种。

电路设计时，首先考虑的是输入 - 输出的电压差（VIN - VOUT）。其次，根据应用的特殊需求，如效率、散热限制、噪声、复杂度和成本等都必要条件，选择最适合的电源管理芯片（IC）。

当VOUT小于VIN时有个选项

当VOUT小于VIN，所需输出电流和VIN / VOUT比是考虑选择LDO或Buck的重要因素。

（1）低VIN / VOUT应用选择LDO

LDO线性稳压器（Low Dropout Linera Regulator）以线性方式控制导通元件的导通，以调节输出电压，提供准确且无噪声的输出电压，能快速因应输出端的负载变化。因此，非常适合需要低噪声、低电流及低VIN / VOUT应用。

在选择LDO时，须考虑输入和输出电压的范围、LDO的电流大小和封装的散热能力。LDO电压差是指在可调节范围内，VIN - VOUT的最小电压。

在微功率应用中，如需靠单一电池供电很多年之应用，LDO静态电流IQ必须够低，以减少电池不必要的消耗；而这类应用就需要特殊的、具低静态电流IQ之低压差线性稳压器（LDO）。

然而，线性调节意谓着输入输出的电压差乘上平均负载电流就是线性稳压器导通元件所消耗的功率。高VIN / VOUT比与高负载电流都会导致过多额外的功率损耗。而功率消耗较高的低压差线性稳压器（LDO）需要较大的封装尺寸，这会增加成本、PCB板空间和热能消耗。

LDO基本电路示意图

当LDO功耗超过~0.8W时，较明智的作法是改采Buck降压转换器作为替代方案。

（2）VIN / VOUT较高时选择Buck降压转换器

Buck降压转换器（buck regulator）是一种开关式降压转换器，可在较高的VIN / VOUT比和较高的负载电流之下，提供高效率和高弹性的输出。由于用途广泛，降压转换器（Buck）还有降压稳压器（buck regulator）、步降开关稳压器（DC-DC step-down switching regulator）两个别称，三者本质上指的是同一产品。

大多数降压转换器包含一个内部高侧MOSFET和一个低侧作为同步整流器的MOSFET，借着内部占空比控制电路来控制两者的交替开、关（ON/OFF）以调节平均输出电压。切换造成的噪声可由外部LC滤波器来过滤。

Buck转换器基本电路示意图

由于两个MOSFET是交替开关（ON或OFF），功率消耗非常小。通过控制占空比，可以产生较大VIN / VOUT比的输出。内部MOSFET的导通电阻RDS（ON）决定了降压转换器的电流处理能力，而MOSFET的额定电压决定最大输入电压。开关切换频率与外部LC滤波器元件共同决定输出端的纹波电压大小；较高开关切换频率之降压转换器所用之滤波元件可较小，但开关切换造成的功耗则会增加。

具脉冲跳跃模式（PSM）的降压转换器会在轻载时降低其开关切换频率，从而提高轻载时的效率，此特性对需低功耗待机模式之应用是非常重要的。

有些特殊降压型架构，如ACOT具有非常快的回路响应，非常适合需要非常快速的负载瞬态反应，如DDR、Core SoC、FPGA和SIC等的电源应用。

VOUT高于VIN时选择升压转换器

升压转换器（boost regulator）用于VOUT高于VIN应用，可将输入电压升至较高的输出电压。其操作原理是经由内部MOSFET对电感器充电，而当MOSFET断路时，透过至负载端之整流器将电感放电。电感充电转为放电会使电感电压变为反向，从而升高输出电压使之高于VIN。

升压转换器典型电路包括：电感器、功率MOSFET、整流二极管、控制IC、输入和输出电容器。常见的改进型配置一般使用两个MOSFET，第二个MOSFET替换整流二极管，在电源开关关闭时打开。MOSFET具有较低的电压降，这大幅减少了功耗，同时提高了稳压器的效率。

MOSFET开关的ON/OFF占空比将决定升压比VOUT / VIN，并且反馈回路也控制占空比以维持稳定的输出电压。输出电容是缓冲元件，用来减小输出电压纹波。MOSFET电流绝对最大额定值和升压比一起决定最大负载电流，而MOSFET电压绝对最大额定值决定最大输出电压。有些升压转换器则会将整流器以MOSFET整合于内部，达到同步整流之功效。

升压转换器基本电路示意图

输入电压不确定时选择升-降压转换器

升-降压转换器（boost-buck regulator）用于输入电压可能会改变，可低于或高于输出电压之应用。当VIN高于VOUT时，四个内部的MOSFET开关将自动配置成降压转换器，而当VIN低于VOUT时则转为升压操作模式。这使得升-降压转换器非常适合以电池作为供电之应用，特别是当电池电压低于调节输出电压值时，得以延长电池使用时间。因为四开关升-降压转换器是完全同步的操作模式，故可达较高的效率。降压模式时的输出电流能力比升压模式时高；因为在相同的负载条件下，升压模式需要较高的开关电流。

MOSFET的电压绝对最大额定值将决定最大输入和输出电压范围。在输出电压不需要参考接地的应用中，如LED驱动器，可使用只有单开关和整流器的升-降压转换器。在大多数情况下，输出电压参考VIN。