芝识课堂【电源管理IC】——电子设备的能力管理大师（上）
在电子设备中罪不可缺少的单元是什么？非电源管理单元莫属，它负责电子设备系统中电能的转换、配电、检测和其他电源管理。其主要负责将源电压和电流转换为可由微处理器、传感器等负载使用的电源。作为管理电子设备电能供应的心脏，电源管理芯片是电子设备中必须一直保持工作状态的单元，电源管理芯片一旦失效将直接导致电子设备停止工作甚至损毁，基于这样的关键作用，电源管理芯片必须要满足高稳定、高可靠、低功耗等要求。
随着环保概念的提升，各种高能效等级标准的推行，加上今年开始的碳中和概念的日渐普及，对优秀电源管理芯片还增加了高能效和高集成度等新的要求，从而满足电子设备更低功耗和更小尺寸的设计理念。作为全球电源管理芯片的领导厂商，我们一起来探讨东芝如何提供高可靠、低功耗和高集成度的电源管理IC。
东芝半导体的电源管理IC支持设备多功能化和实现节能的功能，除了简单的线性稳压器IC、开关稳压器IC和多功能系统电源IC之外，电源管理IC还包括负载开关IC，这种负载开关IC将在待机期间停止向负载供电并控制供电顺序。
图 1 东芝电源管理IC的产品分类
根据系统要求的规格，常用电子设备中器件电源采用各种电源管理IC组合而成，通过各种功能的电源管理IC共同组成完整的电源管理系统，常见的电源管理结构示例见图2。
图2 系统中的电源线结构示例
为什么需要POL电源IC？
负载点 (POL) 电源供应系统的特点是电源管理模块可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，由于使用的LSI具有低电压和多功能性，因此需要具有低电压容限和低噪声的电源。同时，由于电路板布线较长，由串扰引起的电压降和电源噪声成为了需要解决的问题。对于这种应用，能在负载端（靠近待使用的电路块）附近产生和提供电压的POL（负载点）电源IC已引起了人们的广泛关注。
图3 典型的POL系统在产品板上的图像
常用的本地电源IC的类型
目前POL电源结构中有两种本地电源IC：（1）线性型和（2）开关型。电路设计人员可以正确选择这些功率IC并将其放置在正确位置以最大限度提高设备的性能。
线性型包括串联稳压器（通常为LDO和3端稳压器）和并联稳压器。生产低噪声、高精度本地电源只需利用很少的外部零件，制作简单、成本较低。但是损耗很高（效率低），且只能使用降压型。特别是并联稳压器的效率非常低，目前往往不使用。
串联稳压器
并联稳压器
开关型电源管理IC通常被称为DC/DC转化器。根据电路配置，可以使用升压型或降压型。虽然损耗很低（效率高），但必须要使用线圈等外部零件，所以电路尺寸将变大，成本也增高。切换输入直流电压（~1MHz）以产生矩形波，该矩形波将被平整并转化为所需的直流电压。虽然东芝半导体提供的IC种类有限，但我们提供各种MOSFET，可用于DC/DC转化器应用。
降压型
升压型
线性稳压器的工作原理
串联稳压器
如图所4示，串联稳压器不需要外部零件。（需要输入／输出电容器）MOSFET作为可变电阻进行工作，因此输出电压变为恒定电压。
MOSFET的漏极和源极之间的电位差（VIN－VOUT）×输入电流（IIN）将产生损耗。例如，如果输入是5V，输出是3V，则效率是60%。它用于要求低噪声和精确输出电压的电路电源。
并联稳压器
图5中虚线所包围的区域是并联稳压器中的IC。它需要三个外部电阻。内置晶体管作为可变电阻进行工作，因此IK＋IOUT＝IIN＝常数。其结果是，在RSD处产生的电压变为恒定，并且输出电压变为恒定电压。但除了输出电流外，还需要通过晶体管的阴极电流。此外，在输入侧电阻RSD处存在电压降，这将降低效率。它用于低电流（~20mA）应用，比如开关电源参考电压和开关电源光耦驱动电路。
图4 串联稳压器
图 5 并联稳压器
电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的，其性能的优劣对整机的性能有着直接的影响。在电源管理IC（下）中我们将为大家介绍开关稳压器和LDO等相关的知识。
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