什麼是電源管理 Power IC？

眾所周知，電力來自您家中的牆上插座。在台灣，許多電器使用 120 V 交流電 (AC)*1 作為電源，並將交流電源線連接到插座。然而，並非所有家用電器內部的組件都可以利用交流電作為其電源*2。必須首先將 120 V 交流電轉換為直流電 (DC)，然後將直流電提供給電子電路。電器都裝有電子控制所必需的各種電子電路，每一種都有自己的電氣要求。電源管理 IC 可根據每個要求為電路提供穩定的電源電壓。如圖 1 所示，電源管理 IC 不僅用於家用電器，還用於所有電器產品。

交流電的電壓強度因國家而異，但使用交流電的基本原理是相同的。
傳統的白熾燈、熒光燈、電熱器、烘乾機等無需轉換即可使用交流電源。

如何使用電源管理 power IC？

如何選擇和組合電源管理power IC 以找到每個設備所需的正確電源電壓*3？我們將以筆記本電腦的電源為例說明電源管理IC的選擇。

使用於SEO操作的筆記本電腦可以根據個人電腦的規格、性能、成本等不同的組件來構建。此外，每個設備需要不同的電源電壓、電源、效率、噪聲等。因此，電源管理IC的選擇和組合也各不相同。

圖 2 顯示了為筆記本電腦內部的主要設備供電的電源樹的示例。

膝上型 PC 通過從 AC 適配器和鋰離子二次電池獲取電力來運行。AC 適配器將 120 V AC 轉換為 16 V DC 並將轉換後的電壓提供給 PC，同時充電控制 IC 為鋰離子電池充電。當交流適配器斷開時，鋰離子電池為系統的整個電源樹供電。

CPU 和 GPU 電路採用最新的微加工技術密集封裝和製造。這些技術消耗大電流並且需要非常低的電壓。因此，降壓（降壓）DC/DC 轉換器*4通常用於 CPU 和 GPU 的源極線，以實現高效轉換。

然而，DC/DC 轉換器不適用於音頻放大器，因為這些轉換器產生的開關噪聲會降低音質。因此，一個 2.85 V 線性穩壓器（LDO *5 )，以降低開關噪聲並提高音質。

在背光 LED 面板中，LED 串聯連接。它需要超過 16 V 的電壓才能運行。因此，升壓轉換器向背光 LED 面板*6提供 30V 電壓。

如上所示，筆記本電腦內部的設備具有不同的工作電壓和電氣特性*7。因此，電源管理IC對於電子產品來說是必不可少的。

4.調節器採用兩種控制方法：線性方法和開關方法。採用線性方法的穩壓器稱為線性穩壓器，採用開關方法的稱為開關穩壓器（或簡稱轉換器）。

5.LDO 穩壓器是一種線性穩壓器，儘管輸入和輸出電壓之間的差異很小，但仍能正常工作。

6.使用 LDO 穩壓器時，輸出電壓不可避免地低於輸入電壓。另一方面，DC/DC 轉換器可以對輸入電壓進行降壓（降低）和升壓（升高）。降壓（降壓）DC/DC 轉換器產生低於輸入的輸出電壓，而升壓（升壓）轉換器產生高於輸入的輸出電壓。

7.電氣特性”一詞是指電源管理 IC 的規格，如供電量、效率、噪聲等。

電源管理IC按功能和應用分類

電源管理IC除了上面提到的那些之外，還包括許多發揮各種作用的IC。（例如電壓檢測器、監控器等）圖 3 顯示了電源管理 IC 的功能和應用分類。

該圖的左框列出了通用的單功能 IC。這些 IC 用於各種電氣設備以控制電力。線性穩壓器、DC/DC轉換器、AC/DC轉換器、復位IC、開關IC等都屬於這一類。

右側的電源管理 IC 專為特定用途而設計。這些 IC 針對具有嚴格電氣要求的特定設備進行了優化。包括鋰離子電池保護 IC、鋰離子電池充電控制 IC、LED 控制器、電源管理單元 (PMU)，它們在單個封裝中集成了多種功能。

電源管理 IC 的作用

我們將向您解釋三種電源管理 IC 的作用：1）穩壓器、2）復位 IC 和 3）開關 IC。所有這些都有助於電氣產品的高效穩定運行，並有助於建設當今的經濟社會。

1. 監管機構

穩壓器根據每個設備的要求提供穩定的電源電壓和功率。這種類型包括線性穩壓器、DC/DC轉換器等。

例如，手機或智能手機中採用的鋰離子電池在充滿電時可提供約 4.2 V 的電壓。然而，手機內部的處理器只需要大約 1.2 V 的電壓即可正常運行。超過此電壓要求的電壓可能會對處理器造成永久性損壞。在一段時間內，隨著每個電池充電週期，電池的輸出電壓開始下降。簡而言之，即使電池電壓可能會逐漸降低，某些設備仍需要繼續將電池電壓轉換為處理器的穩定可靠來源。

無論輸入波動如何，穩壓器都能保持穩定的輸出電壓。只要電池電壓滿足其工作要求，穩壓器就會繼續為處理器提供穩定的 1.2 V 電壓。

2. 電壓檢測器（復位 IC）

如上所述，每個設備都有不同的工作電源電壓範圍。當電源電壓超出器件輸入範圍時，器件將無法正常工作。發生這種情況時，必須停止設備。即使電源電壓恢復到預設值後，設備也不會恢復到正常狀態。系統啟動時也會發生同樣的情況，因為在提供電壓時內部狀態不穩定，必須復位。為此，每個設備都有一個複位引腳來停止操作並將內部狀態初始化為預設條件。內部初始化使設備能夠開始正常運行。電壓監控器 IC 監控電源電壓是否在電壓檢測器閾值範圍內，並在電源電壓超出電壓範圍時輸出複位信號。當通過其複位引腳向設備發送復位信號時，設備將停止運行，並且可以復位其內部狀態。電壓監控IC主要用於復位負載設備，因此通常稱為複位IC。圖 5 顯示了復位 IC 的操作。如果輸入電壓（監控電壓）低於預設的電壓閾值（電壓檢測閾值），復位信號將輸出 0 V，這個 0 V 信號表示每個設備的複位信號。

3.開關IC

開關IC是插入電源線並打開/關閉電源的IC。如果多個設備連接到相同電壓的電源線，插入開關IC可以根據每個設備的狀態打開/關閉電源，從而降低整個系統的功耗。以這種方式使用的開關IC稱為負載開關IC。

當然，簡單的 MOSFET 也可以起到開關的作用。然而，當它們打開時，MOSFET 無法阻止大電流從輸入電路瞬間流入輸出電路。大電流稱為浪湧電流。浪湧電流會導致輸入電壓瞬態下降等問題。為了防止這種情況發生，開關 IC 可以包括保護電路，例如防止輸入電壓瞬態下降的軟啟動、自動放電以釋放輸出電荷一旦電源線關閉，依此類推。雖然使用線性穩壓器或 DC/DC 轉換器可以提供相同的電源電壓，但在減少電源電流和外部元件數量方面，使用開關 IC 更有利。

圖 6 顯示了開關 IC 的操作。隨著控制信號由高電平變為低電平，停止向輸出負載供電，同時輸出電壓通過自動放電迅速變為0 V。當電源啟動後不久控制信號從低電平變為高電平時，通過逐漸增加輸出電壓的軟啟動來防止輸入電壓下降。

結論

電源線很少用運算放大器畫在邏輯電路或模擬電路上。每個使用電器的人都知道，系統需要電力來供電。然而，通常被忽視的是電源和系統功率要求的重要性。電路設計人員必須考慮每個電氣設備的電源和特定功率要求，以設計一個穩定可靠的系統。智能手機中的雙核或四核等處理器連接到許多組件，如果沒有電源管理 IC，就永遠無法工作。電源管理 IC 是“無名英雄”——它們是支持幕後電子系統安全和正常運行的重要組件。

什麼是電源管理 Power IC？