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半导体系列8-半导体行业研究:集成电路之模拟芯片中的电源管理

日期：2023-07-01 14:20:34 来源：网络整理作者：本站编辑浏览：38 评论：0

导语--到现在为止我们通过一系列的文章梳理了半导体的基本性质、物理基础以及集成电路中的数字芯片。除了数字芯片外，计算、智能系统中另一种必不可少的模拟芯片同样至关重要，接下来我们将通过三篇文章对模拟芯片进行一个系统的梳理，本篇作为开端首先介绍就是电源管理芯片。

我们在前面已经讲过，模拟芯片是处理连续模拟信号的芯片，根据功能可进一步细分为电源管理芯片和信号链芯片，是电子系统中不可或缺的一部分。

自然界的真实信号通过传感器提取后变为模拟信号，模拟信号需要经由模拟芯片处理后才能被数字芯片使用。由于传感器、接收器实际提供的信号很微弱，噪声大且易受干扰，所以一般需要进行信号的预处理，包括放大、滤波、隔离等。预处理完成后再进行加工，包括运算、比较、转换等，加工完的信号一般不足以驱动负载，所以还需要进行功率放大。如果信号需要进行数字化处理，则将预处理后的模拟信号通过 A/D 转换器转为数字信号，处理完后再通过D/A 转换器转为模拟信号。电源管理芯片则在此过程中提供所需的电能转换和控制功能。

模拟芯片种类繁多，同样地，我们在此总结为如下思维导图：

电源管理芯片，实质是通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能。无论是水电、核电、火电还是风电，甚至各种电池提供的化学电能，大部分均无法直接使用， 75%以上的电能应用需要进行功率变换以后才能供设备使用。电力转换包括四种基本形式：变压、整流、逆变、斩波，此外还有变频、变相、开关等具体用途。除电力转换外，电源管理芯片还可以实现电源控制的功能。

由于不同的电子设备、应用场景所需的电源管理方案各有不同，电源管理芯片具有应用范围广、细分品类众多的特点，包括 AC/DC转换器、DC/DC转换器、电池管理芯片、驱动器等。

1.AC/DC 转换器：进行整流的电源管理芯片（逆变器一般划分为属于光伏产业链中的光伏系统集成辅材，上游主要为电子元器件和结构件，核心原材料为IGBT半导体元器件、IC半导体集成电路材料，下游为光伏电站和分布式光伏系统）。例如居民从电网接收的电压是 100+V 或 200+V 的交流电，而大部分电器产品使用的都是直流电，因此需要进行整流。AC/DC的整流方式有全波整流和半波整流。

两种情况都利用了二极管的电流正向流通特性来进行整流。全波整流是通过二极管桥式电路结构将输入电压的负电压成分转换为正电压后整流成直流电压（脉冲电压）。而半波整流是使用一个二极管来消除输入负电压成分后整流为直流电压（脉冲电压）。之后，利用电容器的充电和放电功能来平滑波形，从而转换为纯净的直流电压。带你解锁AC/DC、DC/DC转换器基础。

除整流方式外，还可以通过转换方式进行区分，AC/DC转换有变压器方式和开关方式。变压器方式首先需要通过变压器将交流电压降压到适当的交流电压（例如，从AC100V降至AC10V等）。这属于AC/AC转换，降压值由变压器的绕组比设定。接下来，通过二极管桥式整流器对经过变压器降压的交流电压进行全波整流，转换为脉冲电压。最后，经电容器平滑并输出纹波小的直流电压，这是最传统的AC/DC转换方法。

开关方式是直接用二极管桥式整流器对交流电压进行整流，接下来用电容器平滑直流电压（脉冲电压）。然后，通过开关元件的ON/OFF对直流电压进行斩波（切割），并经过高频变压器降压后传送到二次侧。此时，斩波波形变为方波。与变压器方式相比，开关方式由开关元件和控制电路组成，电路结构较复杂，但由于基于高频控制可以使用小型变压器，所以设备可以小型化、轻便化。

2.DC/DC转换器：进行稳压的电源管理芯片，可以升压，也可以降压。一个电子产品中的部件具有各自固有的工作电压范围，电压精度要求也不同，需要DC/DC转换器提供所需电压值的稳定电压。按转换方式，DC/DC转换器可分为线性稳压器和开关稳压器两大类，线性稳压器设计简单，但效率低，且只能实现降压；开关稳压器设计复杂，但效率高，既能实现降压，也能实现升压、反相。

线性稳压器工作时输入与输出的关系呈线性，只可以降压，适用于小功率电源。根据输出电压的正负，线性稳压器可分为正线性稳压器和负线性稳压器；根据输出电压是否可变，可分为固定型线性稳压器和可变型线性稳压器；根据输入输出之间的电压差大小，可分为标准型线性稳压器和LDO（Low Dropout，低压差线性稳压器）。标准型线性稳压器压差一般在2V以上，LDO可做到1V以下。

开关稳压器是通过控制晶体管在ON状态和OFF状态之间切换（开关动作），使输出电压保持稳定，即接通开关元件（MOSFET），从输入端向输出端供电，直至输出电压达到所需电压。输出电压达到规定值后，开关元件即关闭，不再消耗输入功率。通过高速重复这一动作，将输出电压调节到规定值。开关稳压器可实现降压、升压、反相。根据电压变化可分为降压型、升压型、升降压型、反相型；根据工作原理可分为PWM（脉冲宽度调制，固定频率通过脉冲宽度调整）、PFM（脉冲频率调制，固定脉冲宽度通过频率调整）；根据反馈控制方式（稳压器在电压有偏差时需要反馈控制稳压）可分为电压模式、电流模式、迟滞（纹波）。

3.电池管理芯片：BMIC，Battery Management IC由传感器、控制器、执行器组成，主要功能包括对充电功率的管理、电量的测量、电池的监控和保护等。良好的电池管理能使智能手机拥有更好的续航能力，让汽车仪表有更长的使用寿命，还能使工业产品如动力电池（BMIC是动力电池BMS系统的硬件）运行时保证良好的稳定性。电池管理芯片主要包括电池计量芯片、电池安全芯片、充电管理芯片。电池计量IC负责采集电池信息并计算电量，与电池安全IC可以分立，也可以集成。充电管理 IC 主要负责电池的充放电管理。

4.驱动器：用于控制模组的工作状态，包括显示电源驱动器、LED驱动器、门驱动器和电机驱动器等。高效率的驱动器能为系统节省电能，提高使用性能并增强稳定性。

（1）显示电源驱动器：主要包括LCD/OLED偏置电源、LCD电平转换器和伽玛缓冲器等，帮助设备最大限度减少损耗，同时实现最佳画质。

（2）LED驱动器：用于各类照明、背光等场景，如日常照明、汽车内外部照明系统、LCD面板背光照明等，高功率密度与多用途多通道的产品可以满足从个人电子产品到工业照明的各种市场需求。

（3）门驱动器：也称为栅极驱动器，可以让集成电路的小功率信号来驱动功率器件，即集成电路让功率器件干活的媒介，常用于驱动IGBT和MOSFET。

至此我们已经完成了模拟芯片中的电源管理芯片的梳理，下篇文章我们将对模拟芯片中的信号链芯片做一个简单的介绍。让我们下周见吧。

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