电源中的负载管理与负载开关设计与实现.PDFVIP

电源中的负载管理与负载开关设计与实现 前言 近年来，很多、纤巧型便携式电子产品被开发出来，如手机、数码相机、MP3、 MP4、PDA、GPS 及 DVD 等。它们不仅体积小、重量轻、功能多，并且充电的时间 间隔较长，即产品省电，从而延长了电池的寿命。 为延长产品充电的时间间隔，设计者采用了很多办法：采用单位体积、单位 重量的电池容量最大的锂离子电池或锂聚合物电池，并且增加了电池的容量；在 电路设计上采用节省电能的电路；在元器件选择上采用高效率的低功耗或微功耗 产品或用专用集成电路以减少功率损耗；而最重要的措施是产品在不同的工作状 态 时，为有用的电路供电，而将暂时不用的电路断电，这样可最大限度地省电， 这就是采用负载管理。 电源给 各个电路供电，各个电路就是电源的负载。例如发射电路及接收电 路是电源的负载，功率放大电路也是电源的负载。另外，电源的负载还包括一些 器件（如 LED）或一些其他产品（如硬盘、直流电动机等）。多功能的便携式电 子产品有很多功能电路组成，随着工作电压的不同，对电源的要求也不相同，因 此有多个电 源。要实现负载管理并不容易，现代的负载管理是由微处理器、电 源管理 IC 及负载开关组成。 电源管理 IC 组成的负载管理 微处理器通过控制电源的工作来实现负载管理，如图 1所示，图 1 中有N 个电源，每个电源带一个负载（有 N 个负载）。每一个电源都有一个使能端 （EN， 高电平有效）或关闭电源控制端（SHDN，低电平有效），微处理器的 I/O 口与电 源的 EN 端或 SHDN 端连接，输出逻辑电平来控制电源的开通或关 断，这样就可 以实现负载管理。例如，某产品有6 个电源，在某种工作状态时，需要电源 1~3 开通，则负载 1~3 得电工作，电源 4~6 关断，负载 4~6 失电不 工作，只要在电 源 1~3 的EN 端加逻辑高电平，在电源 4~6 的EN 端加低电平即可。 图2 是 TI 公司的一种电源管理 IC （TPS65021）的功能结构示意图。它由 1 节锂离子电池供电，由微处理器通过 I2C 与器件接口。TPS65021 内部有控制功 能电路及 6 个电源（3 个 DC/DC 转换器，3 个线性稳压器 LDO，输出V1-V6 电压）。 它可以给手机供电及实现负载管理。 数码相机中有三种电源：系统电源、LCD 电源以及白光LED 驱动电源（背光 照明及闪光灯电源）。系统电源部分由 4 个 DC/DC 转换器组成，如图 3 所示。 它分别给 CCD 摄像头、I/F 接口电路、CPU 的核及伸缩镜头的电动机供电，通过 微处理器可做负载管理，微处理器也可以根据工作状态要求来控制 LCD 背光亮 度及闪光灯驱动电路。 负载开关 IC 组成的负载管理 负载管理也可以由微处理器与多个负载开关组成。负载开关是一种功率电子 开关，其基本工作原理如图 4-a)所示，它由两个 MOSFET （Q1：P -MOSFET 及 Q2： N-MOSFET）及一个电阻R 组成。其工作原理是：在 ON/OFF 端加高电平时，Q2 导 通；Q2 导通时将 Q1 的栅极拉到接近地电 平，若其 IN 接电源电压 VIN，则Q1 的源极与栅极之间的-VGS≈VIN，则Q1 相继导通，电源电压可经过负载开关给负 载供电；若在 ON/OFF 端加低 电平，则Q2 截止；Q1 的栅极及源极由电阻R 连接， 使栅极与源极同电位，即-VGS=0V，Q1 截止，电源被切断，负载失电。负载开关 的等效电路如4- b）所示。 由微处理器及N 个负载开关及N 个负载组成的负载管理结构框图如图 5所示。 各个负载开关接在电源与负载之间，其 ON/OFF 端与微处理器的 I/O 口连接。在 不同的工作状态时，由微处理器给各个负载开关的 ON/OFF 端输出逻辑电平；输 入高电平的负载得电，输入低电平的负载失电。采用这种方案也能实 现负载管 理，主要用于一个电源带多个负载的产品中。 电源管理 IC 及负载开关组成的结构 在实际应用中，往往由于电路复杂而采用电源管理 IC 及多个负载开关组成 的负载管理系统，如图 6 所示。图 6 中有 3 个电源，输出不同的电压。电源 1 给 负载 1~3供电。为了控制负载 1~3 的通电或失电，在电源与负