高效电源管理设计需要考虑哪些因素

电子发烧友网报道(文/李宁远)随着电子电路的发展，电源体积趋向模块化和小型化。对电源进行管理的模块主要电路集成在芯片中，其集成度也越来越高，能实现隔离保护等等多种功能，可以说电源管理已经成为电子产品中相当重要的好坏因素。以往，高效电源管理往往需要让位于其他设计因素。但是随着其重要程度越来越高，情况早已有所不同。

延长电池寿命、减小应用尺寸、提高系统安全性，以及满足消费者对于更可靠、成本更低和充电更快的系统的期望等诸多因素，都使得设计人员需要集中更多的精力去解决关键的电源设计难题。要突破电源极限，无外乎从这几个方向着手，开发新的工艺、封装和电路设计技术。如果这么描述不够直接，我们可以更直观地从能实现的效果来看，诸如功率密度的提高、电磁干扰的减少、电源信号完整性的增加等等。

更小的空间，更大的功率

功率密度肯定是最想考虑的问题，第一个发展趋势就是尽可能在更小的尺寸里实现更大的功率，从而以更低的系统成本增强系统功能。这个趋势随着使用者对于电源的要求越来越多愈发明显，电路板面积和厚度已经成为功率密度提高的最大限制因素。电源设计人员必须向其应用中集成更多的电路，才能实现芯片产品的差异化并提高效率，另外这也会明显增强器件的散热性能，实现更小的散热量。

为了实现这个目标，其一需要更高的效率，其二需要更高的开关频率。氮化镓IC可以提供相当出色的开关性能，同时有些氮化镓IC会集成硅驱动器，集成氮化镓IC的驱动器与分立式硅栅极驱动器相比能够实现更高的开关SOA。出色的开关性能对于减少器件产热是很有效果的，对于电源节点电压的处理是另一个减少器件产热的有效办法，将电源处理节点电压控制在更小的范围内能够显著降低器件产热，目前整体的趋势是往小于100V在做。

通过封装创新来实现更高的功率密度是另一种思路，同样也很重要。晶圆芯片级封装WCSP可以将负载开关的占用空间尽可能做小，采用硅芯片将焊球连接到底部。这种封装最小化了外形尺寸，用于输入和输出引脚的焊球数量限制了负载开关可以支持的最大电流。采用引线键合技术的塑料封装将管芯连接到引线使更多的电流从输入流向输出，为自热提供良好的散热特性。不过这种封装有一个问题，引线键合塑料封装需要很大的空间用于键合线本身，与芯片尺寸本身相比需要更大的封装。这就需要在功率和尺寸上做取舍了，仁者见仁智者见智。

优化静态电流，拓展电源功能并延长寿命

我们总是希望电源能够在提升性能、提供更多功能的同时不影响续航时间。这应该是很多应用里都希望能实现的电源管理模式——既是多功能的又是低功耗的。通过芯片来管理低静态电流是在不影响系统性能的情况下，延长电池寿命和存储时间的有效办法。

很简单的道理，应用中尽可能限制电流的前进，然后在不需要使用它时将其关闭。一般来说，经过优化的低静态电流往往能使设备延长几年的使用寿命。即使是没有连接到电池的应用，因为要将更多功能放入电路板上的更小区域中，这同样需要降低静态电流来降低所有模式下的功耗。

滤除噪声，提高精度

噪声与精度的纠缠是老生常谈了，如何降低噪声提升精度是所有元件都要面对的共同问题。

从系统级的噪声消除上看，通过高电源抑制比(PSRR)低压降稳压器(LDO)和片上滤波实现更高的系统级抗干扰和抗噪性能是行之有效的办法，高PSRR可实现更好的滤波以及更低的输出噪声。低噪声(<5µVRMS)输出可大限度地降低低频噪声，保持电路的信号完整性。

降低噪声的一种方法是降低LDO带宽，这可以通过降低LDO内部误差放大器的带宽。但是降低误差放大器的带宽不可避免会降低LDO瞬态响应速度。另一种方法是使用低通滤波器，此滤波器的截止频率设置得越低越好，从而滤除几乎所有的带隙噪声。

工艺在其中也扮演了相当重要的角色，工艺的非理想因素是影响IC的一大误差源。借助基本的低噪声工艺技术、先进的集成电路设计和低应力封装，能减少集成电路误差源。

小结

降低EMI是实现更高效的电源管理里一个比较宽泛但是不能不重视的方向。没有任何电子系统希望受到高电磁干扰，但又只能尽可能抑制。有源EMI滤波器和双随机展频(DRSS)或许能给高效的电源管理一些思路。

有源EMI滤波器检测输入总线上的噪声或纹波电压，并注入异相消除信号以减少干扰。DRSS将低频三角调制与高频随机调制相结合，可分别在低频和高频频带上降低EMI。

新的工艺、封装和电路设计技术不断推动着电源管理的发展，更高效的电源管理无疑会在这几个方向上下功夫。

原文标题：如何实现更高效的电源管理?

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审核编辑：汤梓红