電源管理IC介紹 電源管理iC的8種類型應(yīng)用原理及趨勢 KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-04-17
在日常生活中,人們對電子設(shè)備的依賴越來越嚴重,電子技術(shù)的更新?lián)Q代,也同時意味著人們對電源的技術(shù)發(fā)展寄予厚望,下面就為大家介紹電源管理技術(shù)的主要分類。
電源管理半導(dǎo)體從所包含的器件來說,明確強調(diào)電源管理集成電路(電源管理IC,簡稱電源管理芯片)的位置和作用。電源管理半導(dǎo)體包括兩部分,即電源管理集成電路和電源管理分立式半導(dǎo)體器件。
電源管理集成電路包括很多種類別,大致又分成電壓調(diào)整和接口電路兩方面。電壓凋整器包含線性低壓降穩(wěn)壓器(即LOD),以及正、負輸出系列電路,此外不有脈寬調(diào)制(PWM)型的開關(guān)型電路等。因技術(shù)進步,集成電路芯片內(nèi)數(shù)字電路的物理尺寸越來越小,因而工作電源向低電壓發(fā)展,一系列新型電壓調(diào)整器應(yīng)運而生。電源管理用接口電路主要有接口驅(qū)動器、馬達驅(qū)動器、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)驅(qū)動器以及高電壓/大電流的顯示驅(qū)動器等等。
電源管理分立式半導(dǎo)體器件則包括一些傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件,可將它分為兩大類,一類包含整流器和晶閘管;另一類是三極管型,包含功率雙極性晶體管,含有MOS結(jié)構(gòu)的功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。
在某種程度上來說,正是因為電源管理IC的大量發(fā)展,功率半導(dǎo)體才改稱為電源管理半導(dǎo)體。也正是因為這么多的集成電路(IC)進入電源領(lǐng)域,人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。
1、AC/DC調(diào)制IC。內(nèi)含低電壓控制電路及高壓開關(guān)晶體管。
2、DC/DC調(diào)制IC。包括升壓/降壓調(diào)節(jié)器,以及電荷泵。
3、功率因數(shù)控制PFC預(yù)調(diào)制IC。提供具有功率因數(shù)校正功能的電源輸入電路。
4、脈沖調(diào)制或脈幅調(diào)制PWM/PFM控制IC。為脈沖頻率調(diào)制和/或脈沖寬度調(diào)制控制器,用于驅(qū)動外部開關(guān)。
5、線性調(diào)制IC(如線性低壓降穩(wěn)壓器LDO等)。包括正向和負向調(diào)節(jié)器,以及低壓降LDO調(diào)制管。
6、電池充電和管理IC。包括電池充電、保護及電量顯示IC,以及可進行電池數(shù)據(jù)通訊“智能”電池IC。
7、熱插板控制IC(免除從工作系統(tǒng)中插入或拔除另一接口的影響)。
8、MOSFET或IGBT的開關(guān)功能ic。
在這些電源管理IC中,電壓調(diào)節(jié)IC是發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一部分。各種電源管理IC基本上和一些相關(guān)的應(yīng)用相聯(lián)系,所以針對不同應(yīng)用,還可以列出更多類型的器件。
電源管理的技術(shù)趨勢是高效能、低功耗、智能化。
提高效能涉及兩個不同方面的內(nèi)容:一方面想要保持能量轉(zhuǎn)換的綜合效率,同時還希望減小設(shè)備的尺寸;另一方面是保護尺寸不變,大幅度提高效能。
在交流/直流(AC/DC)變換中,低的通態(tài)電阻,符合計算機和電信應(yīng)用中更加高效適配器和電源的需要。在電源電路設(shè)計方面,一般待機能耗已經(jīng)降到1W以下,并可將電源效率提高至90%以上。要進一步降低現(xiàn)有待機能耗,則需要有新的IC制造工藝技術(shù)及在低功耗電路設(shè)計方面的突破。
隨著可穿戴產(chǎn)品、智能產(chǎn)品、中小家電等各種電器產(chǎn)品的發(fā)展需求,對電源管理IC提出了更高的要求。針對更高的應(yīng)用需求,電源管理IC技術(shù)將有怎樣的發(fā)展。
對于電子產(chǎn)品而言,電源是其生命力的重要保障。沒有電源,電子產(chǎn)品無法正常運行。而高效地電源管理,則使得電子產(chǎn)品的性能更加突出,這也正是電源管理芯片的價值所在。
隨著可穿戴產(chǎn)品、智能產(chǎn)品、中小家電等各種電器產(chǎn)品的發(fā)展需求,對電源管理IC提出了更高的要求。針對更高的應(yīng)用需求,電源管理IC技術(shù)將有怎樣的發(fā)展。對此,《智慧產(chǎn)品圈》記者采訪了意法半導(dǎo)體大中華與南亞區(qū)工業(yè)及功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部市場應(yīng)用總監(jiān)David Lucchetti。David Lucchetti重點圍繞三個方面進行了分享:新型接口技術(shù)、快速充電、智能化管理。
新型接口技術(shù):USB Type-C實現(xiàn)雙向傳輸
老款USB充電的應(yīng)用主要集中在手機上,而且由于USB接口上下不一致,幾乎無法一次插準(zhǔn)。此外,USB協(xié)議接口只能是5V、500mA的電流能力,且功率只能單向傳輸。隨著,越來越多的設(shè)備有USB接口的需求,新型標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)應(yīng)運而生,完全克服了傳統(tǒng)USB充電的局限性。
David Lucchetti指出,USB Type-C具有以下特點:1.最大數(shù)據(jù)傳輸速度達到10Gbit/秒,也是USB 3.1的標(biāo)準(zhǔn);2.支持從正反兩面均可插入的“正反插”功能;3.配備Type-C連接器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格連接線可通過3A電流,同時還支持超出現(xiàn)有USB供電能力的“USB PD”,可以提供最大100W 的電力。
USB Type-C端口有USB3.1這里和3.0兩種,USB3.1的傳輸速度更快。新接口技術(shù)的功率傳輸是雙向的,可以擁有兩種發(fā)送功率方式。用戶不僅可以用筆記本為移動設(shè)備充電,也可以利用其它設(shè)備或移動電源為筆記本充電。即:之前被充電設(shè)備也可以作為可充電設(shè)備。此外,USB-TypeC具備后向兼容,USB-TypeC可以與舊版的USB標(biāo)準(zhǔn)兼容,但用戶需要額外購買適配器才能完成兼容。
“USB Type-C總共有5種協(xié)議,之前的協(xié)議是5V、2A、10W左右,最主要應(yīng)用在手持設(shè)備。再大一點功率的有5V、2A或者12V、1.5A,可以到18W。如果大功率36W,Pad以及Tablet或其他設(shè)備都可以采用這樣的USB Type-C協(xié)議。針對大功率,已經(jīng)可以達到60W的功率范圍。對于協(xié)議5來說,可以達到100W、20V、5A這樣的范圍?!?David Lucchetti表示。
據(jù)了解,在電源管理IC上,目前意法半導(dǎo)體采用Combo芯片,集成(PFC+LLC)于一體的STCMB1,另外加DC-DC,還有其USB3.0接口技術(shù)。
業(yè)界預(yù)計,配備USB Type-C技術(shù)USB3.0\3.1接口的設(shè)備將達到21億臺。2016年之后,將有12%的手機終端會用到像這樣的Type-C的接口。
快速充電方案:10分鐘充40%的電量
隨著用電設(shè)備越來越多,手機及其他用電設(shè)備擁有更長的待機時間,則顯得十分必要。
針對于高通Quick Charge的標(biāo)準(zhǔn),最初是10分鐘充10%的電,后來2.0標(biāo)準(zhǔn)是在10分鐘充30%左右的電量,現(xiàn)在基本上高通3.0是10分鐘充40%的電量。高通3.0的協(xié)議,可以節(jié)約充電時間進行快速充電。
對應(yīng)的是高通Quick Charge3.0協(xié)議,David Lucchetti指出,意法半導(dǎo)體推出STQC30快速的充電方案。STQC30元器件外圍組件少、功能全、封裝小、集成泄放電阻,可設(shè)置電流分布,低待機功耗,自適應(yīng)過壓保護,Vcc電壓范圍擴大(支持小于3V的工作電壓)。
智能化管理:技術(shù)方案和材料工藝上實現(xiàn)
智能化管理是電源管理IC的另一個新動向,主要通過智能開關(guān)的方式來實現(xiàn)。其智能開關(guān)實現(xiàn)的途徑有兩個:一個是技術(shù)上有智能技術(shù)方案,有智能的核;另一個是從材料、半導(dǎo)體工藝技術(shù)上,讓產(chǎn)品智能。
目前,從數(shù)據(jù)通信/電信服務(wù)器的小規(guī)模市場到消費電子的大規(guī)模市場,電源呈現(xiàn)數(shù)字化趨勢。
對于大功率工業(yè)電源而言,其廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心處理器以及工業(yè)大功率電源方面,這就是數(shù)字電源Smart Power Supply。在數(shù)字電源方面,據(jù)David Lucchetti介紹,目前智能電的解決方案表現(xiàn)在兩個方面:一是有數(shù)字化的核做處理,加上主要控制的元器件,產(chǎn)生集成的方案。二是設(shè)計、應(yīng)用時有交互的設(shè)計GUI界面,可以縮短Time to market設(shè)計時間、設(shè)計周期,使得方案更快速地響應(yīng)這個市場需求。
對于小功率電源而言,主要針對消費類電子的解決方案。其解決方案是,通過半導(dǎo)體工藝,對于隔離的產(chǎn)品會有磁隔離技術(shù);還有線性Linear的處理器等等,這也是智能的表現(xiàn)之一。
智能電源重點集中在照明上,據(jù)悉,當(dāng)前ST擁有STLUX平臺,在LED的應(yīng)用、HID應(yīng)用、熒光燈的應(yīng)用都可以采用,具有PWM的調(diào)光功能,0-10V或Triac可控硅的調(diào)光都可以實現(xiàn)。STLUX平臺的智能表現(xiàn)在,里面有一個STM8的核,這個數(shù)字核讓設(shè)計可以有更好的靈活度和快速的響應(yīng)度。如果是模擬方案,工程師則需要重新做個拓撲結(jié)構(gòu)或重新做一些設(shè)計。而數(shù)字方案,由于有Graphic user interface的交互,工程師對硬件不需要做大的改動,只需要做軟件的調(diào)整就可以獲得很好的方式實踐,迅速完成新的數(shù)字方案設(shè)計。
在照明的智能的表現(xiàn)上,更加地滿足了人文方面的需求,比如對燈的調(diào)光、調(diào)光的感受、對燈具的多路控制、多路的調(diào)光控制等等。同時,還將智能變得更加便利,例如通過電力載波還可以對路燈做一些控制。因此,這種智能照明不僅僅在民用上,也可以應(yīng)用在商用和工業(yè)類照明上。
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