电源管理导论:电压调节器集成电路

电气工程师面临的一个基本挑战是如何有效地转换供电电压有输入电源电压需要。电子设备的电能来源可以是由电池产生的稳定的3v电源，嘈杂的28v飞机电源总线，由“壁瘤”交直流电源模块产生的12v，或由太阳能电池板产生的高度可变电压。

这些电源，虽然在应用环境和性能特性方面肯定不同，但至少有一个共同点:它们通常不能提供工程师所需要的电路的确切类型的电源电压。电源设计的本质是将系统提供的电源电压转换成能使电路始终满足其功能要求的电源电压。这是通过…来完成的电压调整虽然可以用分立元件制造出稳压电路，但现在它的使用要普遍得多电源管理集成电路(PMICs)。

线性和开关

根据输出晶体管的控制方式，稳压集成电路可分为两大类。如果晶体管的导电性以连续的方式变化，稳压器被描述为线性。如果晶体管在零导和全导之间反复切换，我们就有一个切换或开关型监管机构。

线性稳压器

线性稳压器有一个误差放大器，它将稳压器的输出电压与内部参考电压进行比较。如图所示，误差放大器驱动一个连接在输入节点和输出节点之间的输出晶体管。这负反馈配置允许电压调节器保持恒定的输出电压，不管输入电压和负载电流的变化。

图中的两个电阻构成了一个分压器，它决定了参考电压和输出电压之间的数学关系。

线性调节器中的晶体管起着可变电阻器的作用。电阻元件的功耗等于压降乘以电流;因此，如果输入电压和输出电压之间有很大的差异，线性调节器相对于所需的负载电流会浪费大量的功率。换句话说，线性调节器可以非常效率低下的因为我们需要把一个高电压转换成一个低电压，所以可以用来给电路供电的能量被耗散成热量。

线性稳压器ic很受欢迎，因为它们体积小，非常容易使用，在敏感的模拟应用中，避免开关模式调节产生的噪声可能很重要。然而，当效率是主要考虑因素时，设计者通常会使用开关稳压器。

切换监管机构

开关模式调节比线性调节更有效，因为输出晶体管的行为像一个开关，要么是打开的(即阻断电流)，要么是关闭的(即以很小的电阻通过电流)。当电流流过晶体管时，晶体管的电阻很低，因此功耗也很低。

开关稳压器——当它们接受直流输入并产生直流输出时，也被称为DC/DC变换器——有多种电路拓扑结构，开关稳压器集成电路可能非常复杂。

这是基本的巴克转换器拓扑。

大电流数字集成电路通常由开关式稳压器供电;数字电路不受开关噪声的负面影响，效率的提高延长了电池寿命，减少了热量的产生。但在某些情况下，调节器的开关动作产生的噪声可能会产生问题，设计者必须采取措施降低噪声幅度或抑制可能干扰其他电路或设备的电磁辐射。下面的示波器屏幕截图可以让你了解开关噪声的样子。

其他类型的功率ic

线性和开关模式稳压器并不是唯一提供功率相关功能的元件。PMIC类别还包括专门的电池充电器;栅极驱动器，为控制晶体管产生大电流信号;LED驱动器，优化后可提供发光二极管所需的电流;和主管监测电源电压并在电压低于阈值时产生复位或通知信号的电路。

结论

本章介绍了集成电路的概念，解释了模拟电子学和数字电子学的区别，并介绍了各种类型的模拟、数字和功率管理芯片。下一章提供了一个特别有趣和有用的集成电路-运算放大器的广泛介绍。