便携式电源管理设计

便携式电源管理设计

袁林

2009.09.24

一、概述

二、主要类型电源管理说明

三、主要类型电源管理比较

四、系统电源设计

一、概述

主要讨论便携式电源管理一般理论及实践知识。一般使用3种类型器件，LDO、DC-DC和Charge Pump。

• 1.1、DC-DC稳压器

DC-DC稳压器一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技

术，其特点是频率高，效率高。

DC-DC稳压器按其功能分成Buck式DC-DC（Step-

down）、Boost式DC-DC（Step-up）和Buck-

Boost式DC-DC。当输入与输出的电压差较高时，

通过使用低电阻开关和磁存储单元实现高达85%以

上的效率，因此可以极大地降低了转换过程中的功

率损失。

一、概述

• 1.2、LDO

LDO与三端稳压器最大的不同点在于，LDO是一个自耗很低的微型片上系

统(SoC)，使用具有低在线导通电阻RDS(ON)的MOSFET管或三极管。只

能降压使用。输入电压与输出电压最小工作压降取决于导通电阻。

• 1.3、Charge Pump

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压

提升，采用电容器来贮存能量。其不仅可升高或降低输入电压，而且还

可用于产生负电压。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。能够提

供90%以上的效率。

根据其控制方式，这种结构的输出电压只能是输入电压的倍数，利用内

部开关和外部飞电容（flying capacitor）能够获得输入电压的2 倍、1.5

倍或-1 倍等电压输出。

另外一种在手机等手持式设备上使用较多的是PMU 器件。• 1.4、PMU 电源管理器件PMU （POWER MANAGEMENT UNIT ）也就是电源管理

单元，集成度很高，内部主要由多路不同类型的DC -DC 和多路LDO 组成，还可能集成了其他功能，如POWER ON/OFF 、ADC 、DAC 、AUDIO 、RTC 、GPIO 、LCD 、CAMERA 、LED 等。上电时有默认值，可通过CPU 对其进行修改相关配置，从而改变相关输入输出值或功能，内部具有上电时序控制，也具有进入不同工作状态模式等功能。非常适用于电池供电、对小尺寸空间有要求的便携式产品上。

一、

概述

• 2.1、DC -DC 转换器

• 2.1.1、构架DC -DC 转换器内部由误差放大器、内部参考源、电流采样放大器、单稳态触发器、晶体管、电流保护、电压保护、温度保护等电路组成。

二、主要类型电源管理说明

——DC -

DC

• 2.1.2、DC -DC 转换器主要类别

• 2.1.2.1、DC -DC STEP_DOWN 降压型（Buck ）

电源通过一个电感给负载供电，同时电感储

存一部分能量，然后将电源断开，只由电感

给负载供电。如此周期性的工作，通过调节

电源接通的相对时间来实现输出电压的调节。

• 2.1.2.2、DC -DC STEP_UP 升压型（Boost ）DC -DC 内部晶体管的导通，会引起通过外部

电感的电流增加；而内部晶体管的断开，会

促使电流通过二极管流向输出电容，因储存

来自电感的电流，多个开关周期以后输出电

容的电压升高，结果输出电压高于输入电压。

•

2.1.2.3、DC -DC 升降压型（Buck -Boost ）

当晶体管Q1导通、Q3断开时电感存储一部分

能量且同时通过二极管D4给负载供电，电容

被充电储能；当Q1断开、Q3断开时，只由电

感通过D4、D2给负载供电。此模式即为Buck

降压类型。

当Q1、Q3都导通时电感存储能量，不给负载

供电；当Q1导通、Q3断开时电感继续存储能

量，并且电源通过电感、二极管D4一起给负

载供电。此模式即为Boost 升压类型。二、主要类型电源管理说明

——DC -

DC

• 2.1.3、DC -DC 转换器原理• 2.1.3.1、工作原理：当开关闭合时，电源通过开关晶体管、电感L 给负载供电，并将部分

电能储存在电感L 以及电容C 中。由于电感L 的自感，在晶体管接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，晶体管断开，由于电感L 的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D 的正极，经过二极管D ，返回电感L 的左端，从而形成了一个回路。通过控制晶体管导通跟断开的时间（即PWM ——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压目的。

• 2.1.3.2、效率：

效率可达到90%以上。

效率计算公式：η=V out *I out /(V in * I in )*100%。

效率计算比较复杂，效率值可参考DATASHEET

获得。

——DC -DC

• 2.1.4、DC -DC 功耗• 2.1.4.1、DC -DC 转换功耗

P Dcon = Vout * I out * (1-η)/η• 2.1.4.2、DC -DC 实际功耗P Da = P Dcon + P Dsw + P Dgc + P Dq

DC -DC 本身实际功耗以其DATASHEET 给出的相应值进行计算。

• 2.1.4.3、DC -DC 最大允许功耗P max =（T Jmax -T A ）/R θJA

其中，T Jmax 为最大允许结温度℃，一般为+125 ℃；

T A 为环境温度℃，一般为+85 ℃；R θJA 为封装的结点热阻℃/W ，参考所选器件的DATASHEET 。P Da 应小于或等于P max

。

——DC -DC