电源管理有助于改善能源支出管理、提高安全性和减轻环境影响。

它可为各类应用提供高度集成的高性能架构,例如存储计算、连网、电信、汽车和消费电子产品。如今的系统要求将电源设计与系统设计结合起来, 以便维持高效能。

电源管理 IC (PMIC) 用于电压转换、电压调节和电池管理。从本质上来说,它是一个系统级封装解决方案。单个 PMIC 可以管理多个外部电源, 为多个负载供电,并屏蔽不支持的过压和欠压状态、过流和热故障。当前,电源管理系统的主要需求包括降低各种负载环境下的功耗、降低空间占用、 提高可靠性以及宽输入电压。为了在各类应用中达到上述标准,就需要采用高效、宽 VIN、低静态电流 (IQ) 开关稳压器。

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电源

电源是为负载提供电力的电气设备。一般来说,它指的是电子系统运行所需稳压电压的产生和控制。电源的主要功能是将电流转换为适当的电压、 电流和频率,从而为负载供电。电源元件可能涵盖的 IC 元件包括开关式稳压器、线性稳压器、开关式电容电压转换器、直流-直流转换器、 交流-直流解决方案、PMIC 电源管理集成电路、电池管理、以太网供电 (PoE) 和电压基准等。

有些电源构成独立单元,有些则集成在其供电的负载设备中。电源对稳定性和安全防护的要求极高。其用途极其广泛,不论是家用电器还是工业设施, 便携式工具还是卫星通信,小到毫瓦,大到兆瓦,几乎所有产品都离不开电源。工业电源容量从几瓦到几千瓦不等,可以满足各种复杂的要求, 例如对流冷却/无风扇、坚固耐用、保形涂层或具有适用于恶劣环境的 IP 等级。

电源可将负载电流限制在安全水平,并在发生电气故障时切断电流。它们可以执行电源调节,有效防止输入端的电子噪声或电压浪涌到达负载。此外, 还可以进行功率因数校正,并储存能量,以便在电源暂时中断的情况下继续为负载供电。由于电子设备需要的直流电压电平不同, 设计人员必须设法将传统电源电位转换为负载指定的电压。电压转换必须灵活、高效、可靠。

开关电源通常用于提供当前应用所需的各级别直流输出功率,适用于打造高效可靠的 DC-DC 电源转换系统。其中,降压、升压、降压-升压、反相和分轨的采用率最高。

借助广泛使用的以太网技术,网络设备(如 IP 电话、无线 LAN 接入点、安全网络摄像机和其他基于 IP 的终端)可以通过现有的 CAT-5 以太网基础设施与数据并行接收电力, 而无需单独的电源。由此,可以最大限度地降低与交流电源处理相关的复杂性和风险。以太网供电的最新标准是 IEEE 802.3at 标准,通常称为 PoE+。 这种设备提供的最大功率输出可达每个端口 30 瓦。

借助无线充电技术,无需线缆即可为手机、无绳电器和其他可穿戴电子设备充电。无线充电系统包括发射器和接收器芯片组,可针对各种应用需求进行定制, 并符合主要的无线充电标准,包括无线电源联盟 (WPC) 的 Qi 标准。任何电池供电设备中的电池均可使用无线充电器充电,只需将设备放置在无线电源发射器或经认证的充电站附近即可。 无线充电所依据的基本原理就是著名的法拉第感应电压定律。

AC – DC

输入电源可以是交流电 (AC) 或直流电 (DC)。AC 电荷周期性地反转方向,而 DC 电荷方向则保持恒定。电子设备首选 DC 电源。AC 到 DC 转换器实际应用广泛,是最重要的动力电子设备,用于将输入的 AC 电压(50Hz / 60Hz 正弦波)转换为 DC 输出。

AC-DC 转换器可多路输出,并具有过电流、过电压和短路保护等功能。为了将输入的 AC 转换为纯 DC,典型的 AC 到 DC 转换器包含四个主要步骤。 这四个步骤分别是:降低电源电压;校正正弦波;平滑波形以减少波纹;调节电压以产生最终输出 DC。

将交流电转换为直流电的过程称为整流。整流器采用仅单向传导电流的半导体器件,比如二极管。晶闸管是更先进的半导体整流器。整流器的分类依据包括电源类型、 桥配置和所用元件等。根据使用的二极管数量,可分为单相和三相。整流器可分为半波、全波或桥式,也可分为可控或不可控型。不可控整流器为给定的 AC 电源提供固定的 DC 输出电压。可控整流器采用晶闸管和二极管,通过控制器件开启的相位提供可调节的 DC 输出电压。

AC 到 DC 的转换可使用线性或开关拓扑来完成。线性 AC-DC 转换器结构简单且价格合理,但体积较大,效率也较低。多余的功率会转化为热量,不适用于温度敏感型应用, 但其具有噪声较低的优势。开关式 AC-DC 转换器采用开关模式电源转换技术,结构比线性转换器更复杂。其采用复杂的拓扑结构,通常旨在提高效率、 降低噪声或实现出色的功率控制。

为了获得高能效,AC/DC 转换器通常需要具备良好的开关性能。为此,可以使用尖端的工艺和技术,例如碳化硅 (SiC)、MOSFET。为了减少失真并提高功率因数, 一些开关转换器采用了有源或无源功率因数校正。开关稳压器在全开和全关状态之间快速切换,最大限度地减少能源浪费。开关转换器比线性转换器更高效、轻巧, 但也更复杂。如果未能适当抑制,可能会产生电噪声问题,并且简单设计也可能产生低功率因数。

AC-DC 转换器电源有多种封装类型,包括封闭式单元和开放式框架类,同时还有不同的安装选项,如 PCB 安装、机架安装、DIN 导轨安装、外部安装等, 既有基于峰值功率容量的选项,也有提供简单恒流控制的产品。

DC – DC

DC-DC 转换器是将直流 (DC) 电压转换为各种 DC 电压电平的电源。对于几乎所有电子电路而言,它们都是关键元件。这些电子电路需要不同的电压来为各种电路器件供电。 未经调节的直流电压输入 DC-DC 转换器后,被转换成经过调节的直流输出电压。

它必须处于规定的 DC 参数范围内,例如输入电压范围、输出电压范围以及特定应用所需的最大输出电流。其他需要考虑的性能特征包括效率、输出纹波、负载控制、 瞬态响应、温度额定值、尺寸和重量等。另一个影响效率和噪声的重要因素是开关频率。增加开关频率有助于减小外部元件的尺寸,降低峰值电流,减少 I2R 损耗, 但同时也会增加磁芯和开关损耗,并增加栅极电荷电流。

DC-DC 转换器分为两种类型:线性和开关式。线性 DC/DC 转换器通过电阻压降产生特定输出电压并进行调节,而开关式转换器则周期性存储输入能量并以可变电压释放到输出。 存储可以选择磁场元件(电感器、变压器)或电场元件(电容器)。这种转换方法可以升高或降低电压电平。线性稳压器的噪声更低,带宽更高。

开关式 DC-DC 转换器又分为隔离和非隔离式。隔离式转换器借助变压器和光耦合器提供输入到输出隔离屏障。由此,输出电压可以浮动并用作相对于系统 0V 的正极性或负极性。 隔离式转换器可用于断开接地回路,从而分离对噪声敏感的电路部件。使用隔离式 DC-DC 电源转换器的常见原因是安全要求。隔离不但能将输出和输入线路上的危险电压分离, 还可以防止触电或短路。隔离式 DC/DC 转换器适用于高速和高功率应用。

当电压偏移极小时,则适合采用非隔离式转换器。在该电路中,输入和输出端子共用接地。闭合反馈回路用于在输入电压和输出负载发生变化的情况下保持恒定电压输出。

开关式 DC/DC 转换器又称稳压器,是一种利用电源开关、电感器、二极管和电容器将能量从输入端传输到输出端的电路。它们通过多种方式组合,构成产生降压、 升压或降压-升压转换器。降压转换器产生的输出电压低于输入电压,称为“降压”转换器。升压转换器拓扑产生的输出电压高于输入电压,称为“升压”转换器。 降压-升压转换器是降压和升压电路的组合,其输出电压可以高于或低于输入电压。

各种功率容量的开关转换器应用都非常广泛,包括电源、储能系统、能量传输系统、电动汽车、船舶和火车推进系统、可再生能源应用以及直流电机驱动。

充电

电网供应的始终是交流电 (AC)。便携式电子设备(如手机和电动汽车)充电时,电能便从 AC 转换为直流电 (DC)。充电系统是一种将能量从恒频、 恒压供电网络传输到直流电的装置,以便连接后为电池充电并运行电气系统。

在电池供电的系统中,充电电路的质量对电池寿命和可靠性影响重大。优质电池充电器可以提升容量、延长电池寿命并跟踪充电过程。为了解决便携式电源的转换问题, 需要能够支持多种电池化学成分的各类电池管理解决方案。电池充电管理控制器是可靠、低成本和高精度的电压调节系统,需要的外部组件极少,可减小产品尺寸, 提高设计精细度,同时还能有效降低成本。

为了维持电池寿命,便携式应用需要兼具高转换效率和低待机功耗。为了在电池耗尽时保持一致的功率水平,多节电池组可能需要进行降压 (buck) 转换, 而单节电池则可能需要进行升压 (boost) 转换。电池充电需要恒定的电流或电压调节。这类电池充电设备包括电池预处理、可编程充电电流、 充电结束阈值和延时计时器等功能,可最大限度地提高燃料容量,缩短充电时间,同时在低元件数量、小面积电路中保持电池寿命,是便携式应用的理想选择。

充电可以通过传导/有线充电、感应/无线充电或更换电池(替换)来完成。采用导电/有线技术的充电系统在连接器和充电入口之间建立直接连接。 普通的电源插座或充电站都可以为电源线供电。传导充电价格低,效率高,因此是首选方案。

感应/无线充电利用电磁场在两个物体之间传输能量。这种充电方式通常借助充电站完成。能量通过电感耦合传输到电气设备后,即可为电池充电或为设备供电。 感应充电器使用充电底座内的感应线圈产生交变电磁场,随后便携式设备中的第二感应线圈再将电磁场产生的电力转换成电流为电池充电。

电动汽车 (EV) 由庞大的电池组供电,这些电池组由扩展电池串联而成。电池组由多个电池集合而成,构成车辆的主要燃料来源。EV 充电器的特点在于其为 EV 电池充电的速度。要想安全有效地使用这类电池,就需要使用 BMS,包括电池监控和控制电力存储系统,以确保电池健康,为车辆系统持续供能。BMS 中包含高压充电器连接器,用于连接高压电源,以便为车辆内电池充电。

充电连接器、电源管理模块、电源 IC 和充电控制器有多种类型,适用于各类传导和感应充电方法。

电池管理

由于便携式电池供电设备、电动汽车、储能和工业应用的增长,可充电电池行业也在不断发展。各种电池化学成分(包括铅酸、镍镉、镍氢和锂离子)对充电电流和输出电压的精准度要求极高。 为了维持电池组中电池的健康并提供所需电力,电池管理系统 (BMS) 必不可少。电池管理产品组合包括电池认证 IC、电池充电器 IC、电池电量计 IC、电池保护器 IC 以及电池监控器 IC, 应用可谓十分广泛。

BMS 是一种电子系统,可以管理充电、放电控制,同时具备各种高级功能,如电池保护、电池监控和平衡、计算电池寿命、控制其环境等。BMS 的主要功能是保护电池,防止任何超出其安全限制的操作。 它具有多个功能块,例如截止 FET、电量计监测器、电池电压监测器、电池电压平衡、实时时钟、温度监测器和状态机。

市场上有多种电池管理集成电路可供选择。功能组件包含多种组织方式,既有提供平衡和监控的简单模拟前端 (AFE),也有需要主动控制器的系统,即自主运行的高度集成系统。BMS 中使用的微控制器实时测量电池电压和电流,并根据需要切换 MOSFET。

从硬件结构上看,BMS 中实施的三种拓扑结构分别是集中式、分布式和模块化架构。电池组中放置了多个传感器,用于在监控层收集数据。实时采集的数据用于确保系统安全, 并对电池状态进行评估。

电池保护包括电池电压、温度和电流等相关数据采集。数据分析用于确定电池组的充电状态 (SoC) 和健康状态 (SoH)。它控制外部组件,确保电池始终在制造商推荐的条件下运行 (例如风扇、加热器),并在电池故障时控制组件以隔离电池组(接触器)。

电池平衡通过均衡电池组中所有电池的电荷来补偿较弱的电池,从而延长电池寿命。通常涉及两种电池平衡方法,即被动和主动电池平衡。被动电池平衡利用旁路电阻释放多余的电压, 从而与其他电池达到均衡。而在主动电池平衡中,高电量电池中的多余电荷转移到其他低电量电池中。其利用电荷存储电容器和电感器完成操作。

电动汽车由庞大的电池组供电,这些电池组由多个电池串联而成。要想安全有效地使用这类电池,就需要使用 BMS,包括监控和控制电力存储系统的功能,以确保电池健康, 为车辆系统持续供能。

电路保护

故障保护装置设计具有电路保护功能。当它检测到电路中出现电源过载和负载不安全(过流或过压状态)时,会切断电路。 过载状态可以定义为设备运行超过其正常、满载额定值,或超出其额定容量。产生短路电流(故障电流)的原因通常是导体绝缘故障导致电流异常增大。

保险丝是一种电流敏感装置,设计有一根电线。当电流过大时,这根电线会瞬间熔化并断开电路。保险丝包括自复式、筒式和高断力等类型。

保险丝是电路保护装置,品类极其丰富。本产品系列包括不同类型的电路保护装置及相关产品。过流产品包括保险丝、保险丝夹、保险丝座、保险丝盒、 断路器和正温度系数 (PTC) 可复位装置等。过压产品包括金属氧化物压敏电阻 (MOV)、分立瞬态电压抑制二极管 (TVS 二极管)、晶闸管、静电放电抑制器 (ESD) 和气体放电管 (GDT) 等。

齐纳二极管是最常用的电路保护器件之一。在正向偏置模式下使用时,它们会像任何其他硅二极管一样将电压钳位在 0.6 V 左右;而在反向偏置模式下使用时, 则会将电压钳位到特定值。

压敏电阻是电压敏感器件,用于保护电路免受瞬态电压尖峰的影响。多层压敏电阻 (MLV) 大多是采用陶瓷多层结构的表面贴装器件, 用于保护微型电子设备中的电路板免受静电放电 (ESD)、感应负载、开关和雷击浪涌瞬变的影响。MOV 是环氧树脂封装的氧化锌圆盘,可具有径向或轴向引线。 MOV 是中档设备,用于保护小型机械、电源和组件。

瞬态电涌是功率流的瞬间(短于一毫秒)上升。瞬态电涌有多种来源,最常见的来自内部,如负载开关,甚至是正常的设备操作。这种瞬变会损坏电子设备或损害其功能。 浪涌保护装置 (SPD) 的作用是防止有害能量进入系统。SPD 是最常见且组织良好的过电压保护装置。在电源电路中,SPD 器件通常与电源轨并联放置, 广泛适用于各个电源步骤。SPD 主要使用以下一种或多种技术制造:火花隙或气体放电管、MOV、齐纳二极管或硅雪崩二极管。

断路器又称 MCB,主要为机械式。其用作电气开关,当电路中电流过大时会打开。断路器重置不会对设备造成损坏,并且闩锁机制可以保持主要连接关闭。由此, 可以确保日常生活中的电力使用安全。

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