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  • 物联网和移动设备的稳压器

  •  2022/5/17
  •    电源和电源管理系统在延长移动设备的电池寿命和性能方面发挥着关键作用。作为这些系统的关键部分,稳压器旨在将电源的输出电压保持在恒定值。在为移动或物联网设备选择稳压器时,需要考虑许多要点。虽然这通常涉及在噪声、热管理和法规偏差之间进行权衡,但在这些点之间找到适当的平衡有助于确保您的下一个移动设备按预期运行。

      所需的稳压器功能

      任何电压调节器都需要提供一些特定的功能。首先,稳压器需要提高或降低电池与设备中不同子电路之间的电压。OLED等高压器件需要升压功能,而降压功能有助于降低数字CMOS电路的功耗。这提供了更长的电池寿命并启用了额外的摄像头和触觉反馈等新功能,而不会显着影响电池容量。

      为了确保信号完整性,噪声管理和电源隔离在移动设备中至关重要。用于 Gbps 数据速率的最新射频调制方案对失真和干扰伪影提出了严格的要求。这些要求仔细注意所有噪声源,尤其是电源的传导和辐射 EMI。

      在电源隔离方面,良好的稳压器还应防止电池输出电压的变化通过输出传播瞬态信号(例如由脉冲射频功率放大器引入的信号),从而影响下游电路。最后,任何移动设备的电压调节器,无论是智能手机、可穿戴设备、物联网还是其他设备,都必须具有小尺寸和低成本,同时还能延长电池寿命。

      稳压器拓扑

      线性稳压器:它们通常由参考电压发生器、误差放大器、功率晶体管、用于监控输出电压的电阻分压器和去耦电容器组成,以确保电源总线上的电压稳定。基于 pnp 和 pFET 晶体管的低压差 (LDO) 稳压器在压差期间表现出不同的静态电流特性,具体取决于晶体管极性。pFET 晶体管在压降期间几乎不汲取电流并且没有表现出静态上升,而 nFET 在输入电压上升并接近输出电压时表现出静态电流的上升。

      线性转换器的优点是它们的噪声和纹波低、尺寸小到中等,以及它们的复杂性和成本低。缺点包括仅降压操作,并且它们具有低到中等的效率,尽管这取决于负载电流、电池电压和散热。

      开关电容稳压器:也称为电荷泵转换器,它们使用电容器和几个开关来提供高于或低于输入电压的输出电压。它们在连接到数字开关的飞跨电容器中存储能量并将其从输入传输到输出。

      与其他稳压器相比,电荷泵转换器的优势包括高效率和低辐射 EMI。这是由于使用电容器来存储能量和传输,这使得能够使用软开关技术来控制数字开关。这些转换器不使用反馈来实现调节,而是依靠开关周期占空比来补偿输出电压的变化。这些控制器通常仅限于低功耗应用。

      开关稳压器:这些稳压器可以将输入电压升高(升压)或降低(降压);它们还能够反转其极性。典型的降压-升压转换器包括一个产生交流信号的开关网络、一个将该信号的直流分量传递到输出的低通滤波器,以及一个通过改变交流信号的占空比来调节输出电压的反馈网络或频率。

      开关稳压器的输出电压特性很大程度上取决于低通滤波器的质量,低通滤波器采用 LC 电路实现。输出电压纹波噪声和稳压器效率很大程度上取决于电感器的尺寸,其中较大的电感器会降低纹波和电路效率,因为它们通过等效串联电阻的能量损失更大。这些稳压器电路浪费的热量更少,但它们通常比线性电路更复杂、更大且成本更高。

      结合线性和开关模式稳压器是在移动设备中生成多个电源电压的常用技术。电源设计人员需要考虑电源(电池)和负载的特性来为特定的子电路选择最佳的电路解决方案。例如,随着移动设备处理器使用越来越精细的晶体管架构(10 nm 或更小)制造,这降低了它们的电源电压和电流要求,稳压器电路的静态电流成为负载电流的更大百分比并具有更大的影响关于电路效率。

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