简介在过去的三十年里，随着便携式和可穿戴电子产品已成为我们日常生活的一部分，电源管理技术变得越来越重要。
如果需要延长电池使用寿命和电源转换效率，实现电源管理电路的详细设计非常重要，包括低压差 (LDO) 稳压器、开关电源转换器 (SWR)、开关电容器设计等。
电源管理 IC (PMIC) 致力于为电压转换、顺序控制、充放电管理、能量分配和检测提供管理解决方案。
为负载提供稳定的电源，实现高效、低功耗、智能的电源系统。
PMIC分为线性电源、开关电源、μ模块、数字电源和保护芯片。
随着便携式智能技术的发展，PMIC向多功能、多通道、低功耗、高集成度方向发展。
电源管理单元（PMU）创新并流行。
例如，手机中的PMU集成了多通道DC/DC、低压差稳压器（LDO）、通信接口和管理单元，以实现更高的功率转换效率、更低的功耗、更少的元件和更小的尺寸。
图1图1，具有不同输入电源电压的 MOSFET 和应用的演变；线性电源调节器工作在放大器的线性区，纹波小，外围器件少，但效率低。
78xx和79xx产品系列的三端稳压器和LDO均为线性电源。
开关电源工作在开关状态。
开关控制器根据负反馈原理，调节MOSFET等功率器件的通断开关比，从而实现稳定的输出电压。
开关电源有隔离型和非隔离型。
对于前者，DC/DC转换器中通常采用光隔离器、变压器和电容耦合器作为隔离元件。
非隔离型通常使用外围元件，例如电感。
开关电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，在电源技术中有着广泛的应用。
μ模块产品大约在10年前上市，其中开关电源控制器、功率晶体管、电感器和电容器被封装在一个模块中。
具有输出电流大、效率高、体积小等特点。
2007年10月，凌力尔特推出首款μ模块产品LTM46xx，在技术上处于领先地位。
随后，TI于2011年推出了易于使用的产品LMZ13609系列，在电源管理系统中得到了广泛的应用。
对于小型电源管理系统，主要采用单片芯片提供过压、过温、ESD保护，以及供电和驱动功能，应用在电路供电、电池供电开关、USB 管理以及电源管理等领域。
PMIC可实现高效、低功耗、智能的电源系统，并快速发展并加速批量生产，以满足移动产品无线充电技术的要求。
交流/直流转换器AC/DC转换器用于将交流电（AC）转换为直流电（DC）。
根据整流方式的不同，AC/DC变换器分为半波整流变换器和全波整流变换器，可分为三相交流和单相交流。
图2图2，不同类型的 MOSFET 具有不同的 VGS 和 VDS 值；AC/DC转换模块可直接在PCB上插拔使用，因此在开关器件、接口、移动通信、微波通信、光通信、路由器、电机电子、航空航天等领域有着广泛的应用。
单片 AC/DC 转换器将磁性模块与 AC/DC 转换控制器集成在单个芯片上，非常适合小功率驱动应用。
Power Integrations 于 1994 年推出了第一款三端隔离 PWM AC/DC 开关，随后于 2000 年推出了 290 W TOP250 单芯片 AC/DC 转换器，来自 TOPSwitch-GX 系列，其中高压 MOSFET、PWM 控制器、ESD 等控制电路集成在一块CMOS芯片上。
ROHM开发了可实现控制IC BD7682FJ-LB的AC/DC转换器。
由于IC模拟设计技术利用SiC工艺中的功率器件，因此SiC-MOSFET的栅极驱动器可以集成在芯片上，从而实现小型化和高转换效率。
该芯片在工业设备中的大功率逆变器（高电压倍增大电流）和伺服中具有广泛的应用。
一种新颖的反激式拓扑变得流行并用于电源电路设计中。
TI 于 2014 年推出了 5 W–100 W 反激式 AC/DC 转换器，具有 5 W–10 W 的低功耗待机状态、最小恒定输出电流容差为 5%、平均效率超过 88% 。
20 世纪 80 年代，AC/DC 转换器将开关电源用于计算机等低功耗应用。
目前，AC/DC开关电源IC在便携式产品和数字消费电子市场中增长显着。
设计师总结出提高AC/DC开关电源性能的途径。
首先，采用零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）软开关技术提高开关频率，实现更高的功率密度和更小的尺寸。
其次，采用智能控制元件，通过二次整流降低功耗。
第三，材料（Mn-Zn）性能的提升，采用新材料以获得更好的性能。
此外，小型化无源模块和表面贴装技术（SMT）都对开关功率的提高起到了作用。
未来微电网将借助分布式交直流电源IC的发展。
微电网交流/直流技术旨在为电能质量和潮流之间的理想权衡、良好的电压和频率控制以及电源管理提供解决方案。
它还解决了稳定性、可靠性、过压/过流保护、动态建模和低成本运行等问题。
DC-DC转换器DC-DC转换器的作用是实现电压转换以获得稳定的电压。
属于开关电源的一个分支电路。
DC-DC转换器在电信、便携式数字设备、计算机、办公自动化系统、工业设备、军事用途、航天器和汽车运输等领域有着广泛的应用。
1980 年，最初的产品是意法半导体的单片 DC-DC 转换器 L4960 系列。
Vicor公司在软开关DC-DC转换器领域处于全球领先地位，其产品最大功率为300W、600W、800W，相应功率密度为6.2W/cm3、10W/cm3、17W/cm3， 效率为 80%–95%。
软开关技术不断向高频、高功率密度方向发展，其频率已达到兆赫兹范围。
随着半导体和封装技术的发展，高频软开关技术不断发展，功率密度超过50 W/cm^3，效率超过90%。
为了满足直流测试设备、计算机视频显示、计算机和军事通信的需求，小功率DC-DC转换器市场显着增长，特别是6-25W DC-DC转换器。
对于医疗仪器、工业控制系统、电信等应用，DC-DC转换器从低功率发展到251W至750W的中高功率。
作为电源管理的一部分，DC-DC转换器的作用是服务于不同的设备。
不仅是计算机，还包括其他应用，例如手机驱动器和便携式设备的有源矩阵有机 LED。
随着DC-DC转换器技术的发展，数字DC-DC转换器出现。
数字DC/DC产品带来多种智能模块直流电源。
更多类型的智能DC-DC转换器即将上市，应用于航天器和航天网络的分布式电源系统。
开关电源控制器开关电源控制器用于实现开关电源的闭环控制和其他保护功能。
作为核心部分，它由基准、误差放大器、振荡器、PWM比较器、锁存电路和输出级组成。
开关电源控制器集成度高、一致性好、外围元件简单。
开关电源控制器分为脉宽调制(PWM)控制器、脉冲频率调制(PFM)控制器、移相谐振(PSR)控制器和同步整流控制器。
PWM控制器在较宽的负载范围内具有其他开关电源中最高的效率，是最成熟、应用最广泛的产品。
在输出信号频率一致的情况下，PWM控制器调节功率开关控制信号的脉宽（占空比）来控制电感的充电/放电时间，以获得稳定的输出电压。
采用单端、推挽、半桥、降压、升压、隔离、非隔离等拓扑结构。
典型产品有Microsemi的SG1525A、TI的UC1843、ADI的UC1825和LT3845。
PWM 反馈控制的工作原理如图 3 所示。
图3图3，PWM反馈控制原理在功率开关控制信号的脉宽、输出信号频率一致的情况下，PFM控制器通过反馈控制电路控制电感的充电/放电时间来调节输出信号的频率，以获得稳定的输出电压。
用正弦波代替方波，大大降低了开关电源的高频噪声。
PFM控制器的工作原理是实现开关管的零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）。
由于开关管在零电压或零电流下开通和关断，电压和电流交叉损耗明显降低，功率效率提高。
通过增加开关频率，尺寸减小，质量提高。
UC1860、UC1864、UC1868等产品工作频率超过1MHz，驱动电流大于200mA。
PSR控制器在全桥拓扑中得到广泛应用，每个通道的输出信号频率和占空比恒定。
通过调整桥臂处功率开关驱动信号的相位，转换器可以调节工作脉冲宽度以获得一致的输出电压。
它具有 PFW 和 PWM 的优点。
它以 PWM 的方式调节脉冲宽度，并在开关打开和关闭时保持零电压（或零电流）状态。
在大功率开关电源中应用广泛，典型产品有UC1875、UC1876、UC1879等。
同步整流控制器是为了解决整流肖特基二极管正向电压高的问题而设计的，因为肖特基二极管正向压降在0.3V以上。
同步整流器被功率MOS器件取代，可以实现几毫欧的低导通电阻（ mΩ），从而降低导通电阻消耗并提高开关功率转换率。
同步整流控制器在非隔离DC-DC转换器中有应用，例如LT3844和LT3845。
数字转换器是一种新型开关电源控制器，由模数转换器、离散补偿器和数字PWM组成。
主要产品是TI公司的TMS320LF2407A。
高功率密度、高可靠性、低噪声等性能对于开关电源技术和产品至关重要。
提高功率密度和可靠性的途径大多是通过提高转换率和小型化来实现。
今后，开关电源控制器将向更高的工作频率和数字化控制方式发展。
工作频率的提高不仅有利于降低噪声以及电容、电感和逆变器的尺寸，而且有利于改善电源的动态性能。
低压差稳压器(LDO)低压差 (LDO) 稳压器广泛应用于便携式电子设备，因为它们占用的芯片和印刷电路板 (PCB) 面积较小。
这些稳压器的性能优势包括低静态电流和宽带宽 (BW)，从而实现快速传输响应。
与开关稳压器 (SWR) 不同，LDO 稳压器通过线性操作转换电压，因此可以获得良好调节的输出电压，而不会出现输出电压纹波。
然而，LDO 稳压器有一个固有的缺点，即如果输出电压与输入电压之比较小，则功率转换效率 (PCE) 较差，因为传输晶体管上的较大电压应力会导致显着的功率损耗。
考虑到较小的硅面积、紧凑的 PCB 和降低的分立元件成本，LDO 稳压器是一种候选方案，可以为稳压和按比例缩小的电压提供转换功能。
LDO 稳压器经常用作与 SWR 串联的后置稳压器，以抑制由于 SWR 开环增益较大而导致开关操作产生的电压纹波。
一般来说，如果输出电压与输入电压之比以及开环增益能够在一定范围内保持较大，则 SWR 与 LDO 稳压器串联的组合可以被视为简单而高效的电源管理模块。
LDO稳压器。
LDO 稳压器被视为电压缓冲器，可降低电压纹波，但代价是略微降低 PCE。
图4图4，LDO稳压器的分类低压差稳压器 (LDO) 是一种线性稳压器，具有低输出/输入压降，可在有限的电源下提供稳定的输出电压。
1967年，Robert Dobkin首次提出了一种低压降线性稳压器，其输入输出电压差为0.7V。
LDO 采用 BCD 工艺制造，在 3A 输出电流下工作电压为 115 mV，功耗和尺寸明显减小。
板级电源或电池带来较大的电压波动，因此在后端输入电源采用稳压器来提高电子元件的供电质量。
与DC-DC开关稳压器相比，LDO是一种电压线性稳压器，具有本身噪声低和电源抑制比(PSRR)高的特点，大大提高了前级供电的质量。
LDO静态功耗低、体积小、成本低、外围应用简单。
与DC-DC转换器相比，它具有更高的转换功率和更低的效率。
如图5所示，低压差稳压器采用负反馈控制器来输出稳定的电压。
LDO的核心部分由基准电压源、误差放大器、稳压管和反馈电阻组成。
稳压管工作在线性区，起到可调电阻的作用。
当输入电压或负载瞬态变化时，通过采样、误差放大和负反馈，使稳压管的输出电压保持一致。
图5图5，LDO结构图根据稳压管的类型，LDO类型包括npn准LDO、pnp-LDO、pMOS LDO（p-FET LDO）、nMOS LDO（n-FET LDO）。
传输晶体管按照压差电压从最高到最低的顺序分别使用npn晶体管、pnp晶体管、pMOS和nMOS晶体管。
从电源类型来看，有正向LDO调节正电压，负向LDO调节负电压。
为了满足片上系统和高性能器件的要求，LDO不再是为了低功耗和大电流而开发，而是为了高PSRR和高集成度。
电源杂波减少，电源抑制噪声带扩大，满足射频、高端ADC、DAC的电源需求。
采用新颖的频率补偿方法来实现片外电容器设计，从而使多个 LDO 能够集成在 SoC 上。
作为主流，LDO 的发展方向是 SoC 与多个 LDO 的高度集成。
说到这里，LDO技术需要关注的关键问题是：负载瞬态响应、抗过冲能力和恢复时间。
TI 开发了适用于各种应用的 LDO 产品。
例如，针对射频和模拟电路推出了低噪声 TPS7A88，其噪声均方根 (RMS) 为 3.8 μV。
对于电池供电，TPS782 的静态电流为 500 nA。
TPS7A4001 将输入电压放大至 100V，适用于宽输入范围的瞬态电压。
为了消除 FPGA 和 DSP 的开关噪声，TPS7A84 的输出电流高达 3A，噪声 RMS 为 4.4 μV，精度为 1%。