工業(yè)部門正在走向完全數(shù)字化，電源管理在工業(yè)向智能工廠和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用。工業(yè) 4.0 不僅推動新技術(shù)和智能產(chǎn)品，還通過無線節(jié)點(diǎn)等移動解決方案以新的商業(yè)模式擴(kuò)展生產(chǎn)領(lǐng)域。

隨著工業(yè)部門的發(fā)展，能源管理必須應(yīng)對設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算的融合導(dǎo)致新的復(fù)雜和互聯(lián)的工業(yè)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)，類似于電動汽車和自動駕駛汽車的發(fā)展。CO 2減少、成本挑戰(zhàn)和不斷發(fā)展的監(jiān)管框架等環(huán)境因素使高效能源管理成為該行業(yè)的重要組成部分。

從 2016 年到 2022 年，電源管理 IC 市場預(yù)計(jì)將以 6.13% 的復(fù)合年增長率 (CAGR) 增長。電源管理 IC (PMIC) 為廣泛的應(yīng)用類別提供高度集成的高性能架構(gòu)，例如如網(wǎng)絡(luò)、電信、汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品。PMIC 提供各種集成選項(xiàng)，例如保護(hù)、系統(tǒng)控制、電池管理、音頻功能和其他特定應(yīng)用規(guī)范。

以下是來自領(lǐng)先供應(yīng)商的 10 款產(chǎn)品，它們提供工業(yè) 4.0 細(xì)分市場所需的效率和靈活性，包括智能工廠、智能制造和 IIoT。

Maxim Integrated Products Inc., MAX20075 降壓轉(zhuǎn)換器

Maxim Integrated 在滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的電源要求方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。這些解決方案可以管理不同的基于電池的應(yīng)用，這些應(yīng)用可用于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳感解決方案。緊湊的尺寸、高工作效率、低靜態(tài)電流和減少電磁干擾 (EMI) 是 Maxim 功率 IC 的關(guān)鍵特性。

圖 1：Maxim 的 MAX20075。（圖片：美信集成）

一個(gè)例子是MAX20075，這是一款具有低靜態(tài)電流的同步降壓轉(zhuǎn)換器。該器件在輕負(fù)載時(shí)自動進(jìn)入跳躍模式，在空載時(shí)具有 3.5 μA 的超低靜態(tài)電流。MAX20075 為始終開啟的應(yīng)用提供 91% 的高峰值效率，并具有 40 V 的過載容限（圖 1）。該器件可用于各種工業(yè)應(yīng)用以及汽車應(yīng)用。它提供兩個(gè)固定的 5V 和 3.3V 輸出電壓。頻率在內(nèi)部設(shè)置為 2.1 MHz，允許使用小型外部組件、減少輸出紋波和衰減 AM 干擾。該器件提供引腳啟用的擴(kuò)頻頻率調(diào)制，以最大限度地減少調(diào)制頻率導(dǎo)致的 EMI 輻射。

Texas Instruments Inc.、TPS62840 和 TPS650250 PMIC

德州儀器 (TI) 通過一系列適用于任何應(yīng)用的解決方案來應(yīng)對電源管理挑戰(zhàn)，從汽車到基于氮化鎵 (GaN) 的高壓設(shè)計(jì)。操作參數(shù)的組合允許創(chuàng)建創(chuàng)新的解決方案。

TPS62840?是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)是具有低靜態(tài)電流 (I Q )，通常為 60 nA。這種開關(guān)穩(wěn)壓器可以延長電池供電的工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用的電池壽命，例如物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和可穿戴設(shè)備。

圖 2：TPS62840 的框圖。（圖片：德州儀器公司）

TI PMIC 為家庭和工廠自動化、人機(jī)界面和其他工業(yè)應(yīng)用中的 Sitara、NXP i.MX、Intel Apollo Lake/Skylake 和 Xilinx/Altera FPGA 等處理器提供工業(yè)系統(tǒng)電源解決方案。基于控制器的 PMIC 也可用于通過各種封裝解決方案解決熱問題。

一種解決方案是TPS650250集成 PMIC，它適用于需要多個(gè)電源軌的應(yīng)用。它提供三個(gè)高效降壓轉(zhuǎn)換器，旨在在基于處理器的系統(tǒng)中提供網(wǎng)絡(luò)電壓、外圍設(shè)備、I/O 和內(nèi)存總線。由 MODE 引腳控制的所有三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載時(shí)進(jìn)入低功耗模式以獲得最大效率，或者以固定強(qiáng)制頻率在 PWM 模式下運(yùn)行。

TPS650250 器件集成了兩個(gè) 200mA 通用 LDO 穩(wěn)壓器。兩個(gè) LDO 均在 1.5 V 至 6.5 V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作。所有電源軌的輸出電壓均可通過外部電阻分壓器設(shè)置并通過輸入引腳啟用。此外，一個(gè) 30mA LDO 通常用于為始終開啟的電源軌供電。

羅姆半導(dǎo)體，BD71847AMWV PMIC

目前使用的大多數(shù)工業(yè)設(shè)備都在 24 V 至 72 V 之間的高壓下運(yùn)行，這與電子電路所需的 3.3 V 至 12 V 不兼容。ROHM 的工業(yè) DC/DC 系列包括支持廣泛輸入電壓和高效率輸出電壓的產(chǎn)品。

BD71847AMWV是 ROHM 的 PMIC 產(chǎn)品組合的最新成員?，專為 NXP 的 i.MX 處理器而設(shè)計(jì)。除了具有 95% 效率的業(yè)界最佳 DC/DC 轉(zhuǎn)換器外，ROHM 的 PMIC 還具有用于靈活電源控制和管理的可編程序列器、用于 i.MX 8M Mini 的硬件控制接口、睡眠時(shí)鐘緩沖器和保護(hù)功能。PMIC 集成了六個(gè) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器、六個(gè) LDO 穩(wěn)壓器、一個(gè)用于 SDXC 卡的 1.8-V/3.3-V 電源開關(guān)、32-kHz 晶體驅(qū)動器和輸出時(shí)鐘、保護(hù)和監(jiān)控電路，以及一個(gè)可編程定序器和電源狀態(tài)的控制邏輯。

圖 3：BD1847AMWV 的系統(tǒng)功率圖和典型應(yīng)用電路。（圖片：羅姆半導(dǎo)體）

ROHM 的高效降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器BD9106FVM-LB旨在產(chǎn)生低電壓，包括從 5V 電源線產(chǎn)生 1V 的電壓。它采用電流模式控制系統(tǒng)對負(fù)載的突然變化提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

Analog Devices Inc.，LTC3372 控制器和 LTM4700 穩(wěn)壓器模塊

Analog Devices Inc. (ADI)的LTC3372是一款高度集成的電源管理解決方案，適用于需要由高達(dá) 60V 的輸入電壓生成多個(gè)低壓輸出的系統(tǒng)。該器件提供一個(gè) 60V 同步降壓開關(guān)控制器和四個(gè)可配置同步降壓穩(wěn)壓??器。LTC3372 的降壓控制器提供一個(gè) 4.5V 至 60V 的輸入范圍，并驅(qū)動一個(gè) N 溝道 MOSFET 功率級。每個(gè)降壓通道都可以通過編程調(diào)整最小輸出電壓 0.8 V，可配置輸出高達(dá) 4 A。?

圖 4：LTC3372 的框圖。（圖片：模擬設(shè)備公司）

此外，ADI 還提供 Linear 的一系列 μModule Power 產(chǎn)品，其中包括LTM4700模塊，該模塊可提高數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的密度，同時(shí)將對系統(tǒng)尺寸和冷卻成本的影響降至最低。高度集成的組件封裝包括存儲器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字接口。

Microchip Technology Inc.，MCP19122/3 降壓控制器

Microchip Technology 擁有快速擴(kuò)展的 DC/DC 控制器產(chǎn)品組合，適用于移動和工業(yè)設(shè)備市場。數(shù)字增強(qiáng)型功率模擬 (DEPA) 控制器代表了同類產(chǎn)品中的最佳產(chǎn)品，旨在以小尺寸提供高效率。

DEPA MCP19122和MCP19123降壓控制器可以接受高達(dá) 42 V 的高壓輸入，并同時(shí)調(diào)整 0.3 V 至 16 V 的寬輸出電壓范圍，無需外部組件或驅(qū)動器。多個(gè)并行輸出為高功率應(yīng)用提供系統(tǒng)冗余。MCP19122/3 適用于高性能智能電源應(yīng)用。

圖 5：MCP19122/3 的框圖。（圖片：Microchip Technology Inc.）

集成的 PIC 微控制器可以動態(tài)調(diào)整工作頻率、過壓和欠壓阻斷閾值、電流限制和軟啟動，以及對輸出電壓、輸出電流和最大占空比進(jìn)行編程。該器件提高了在更大系統(tǒng)中的集成度，可以與外部參考時(shí)鐘和電壓同步，或者將其時(shí)鐘和內(nèi)部參考提供給其他器件進(jìn)行同步。在服務(wù)器或通信設(shè)備中，這允許在不中斷的情況下進(jìn)行增強(qiáng)，并通過電路板準(zhǔn)確跟蹤能耗。

ST微電子，S??T1PS01 DC/DC轉(zhuǎn)換器

ST Microelectronics 的ST1PS01 DC/DC 轉(zhuǎn)換器試圖克服外形尺寸和能效之間的權(quán)衡。該轉(zhuǎn)換器采用倒裝芯片封裝 (1.14 x 144 mm)，可提供高達(dá) 400 mA 的輸出電流，輸入電壓介于 1.8 V 和 5 V 之間。得益于增強(qiáng)的峰值電流控制 (PCC) 和先進(jìn)的設(shè)計(jì)電路，ST1PS01 將靜態(tài)電流降至最低，僅使用一個(gè) 2.2 μH 電感器和兩個(gè)小電容器即可實(shí)現(xiàn)非常高效的轉(zhuǎn)換。

圖 6：ST1PS01 的應(yīng)用示意圖。（圖片：意法半導(dǎo)體）

NXP Semiconductors，MMPF0200 可配置 PMIC

NXP Semiconductors提供 PMIC 解決方案以支持各種工業(yè)應(yīng)用。這些 PMIC 的關(guān)鍵特性是它們在編程方面的靈活性和高集成度和效率。PMIC 可用于各種設(shè)備，以延長電池壽命并減少能量消耗，同時(shí)消除許多外部組件。精確的電源排序和低壓差電壓等高級功能可確保優(yōu)化能耗。

圖 7：MMPF0200 的框圖。（圖片：恩智浦半導(dǎo)體）

采用 SMARTMOS 技術(shù)的MMPF0200 ?提供了可配置和可編程的架構(gòu)。MMPF0200 可以通過四個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè)升壓穩(wěn)壓器、六個(gè)線性穩(wěn)壓器和一個(gè)按鈕充電器為完整的工業(yè)系統(tǒng)供電。該設(shè)備特別適用于 i.MX 6 系列設(shè)備的 i.MX 6SoloLite、i.MX 6Solo 和 i.MX 6DualLite 版本。

結(jié)論

電力管理旨在優(yōu)化生產(chǎn)成本、減少 CO 2排放并確保安全可靠的供應(yīng)。在工業(yè) 4.0 環(huán)境中，靈活的生產(chǎn)能力和能源效率需要靈活的集成系統(tǒng)。

能源管理的關(guān)鍵是使用高效的 DC/DC 解決方案，確保處理器盡可能處于低功耗待機(jī)模式，并將無線通信降至最低。此外，選擇正確的有源和無源元件將顯著有助于降低各種工業(yè)子系統(tǒng)中使用的傳感器節(jié)點(diǎn)的能量分布。

　　審核編輯：湯梓紅