嵌入式系統電源芯片選型與應用

　　電源是嵌入式系統中不可缺少的重要組成部分，電源設計的好壞直接決定了系統設計的成敗。出現電源設計問(wèn)題的原因一方面是由于設計者硬件設計經(jīng)驗不足;另一方面是集成穩壓芯片品種繁多、手冊說(shuō)明不規范(特別是DC-DC轉換器)。電源設計過(guò)程中，除了有電壓和電流基本要求之外，還需要對效率、噪聲、紋波、體積、抗干擾等性能指標有著(zhù)一定的約束。此外，對于采用電池供電的便攜式嵌入式系統的電源來(lái)說(shuō)，還要有電源管理的考慮。

　　1電源技術(shù)概述

　　按照調整管的工作狀態(tài)來(lái)分，直流穩壓電源可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是線(xiàn)性穩壓電源;另一類(lèi)是開(kāi)關(guān)穩壓電源[1]。調整管工作在線(xiàn)性狀態(tài)的稱(chēng)為線(xiàn)性穩壓器;調整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型穩壓器。線(xiàn)性穩壓電源可以細分為兩種，一種是普通線(xiàn)性穩壓器;另一種是低壓差線(xiàn)性穩壓器(Low DropOut regulator，LDO)。開(kāi)關(guān)電源穩壓器也可以細分為兩種，一種是電容式DC-DC轉換器，即常說(shuō)的電荷泵;另一種是電感式DC-DC轉換器，即通常所說(shuō)的DC-DC轉換器。

　　1.1線(xiàn)性穩壓器

　　在保證輸出穩定的前提下，輸入電壓高出預設輸出電壓的電壓值叫輸入/輸出電壓差。這個(gè)參數不僅與穩壓器采用的調整管有關(guān)，而且與管子的工作狀態(tài)有關(guān)。普通線(xiàn)性穩壓器采用的調整管一般是雙極型晶體管，管子工作在線(xiàn)性狀態(tài)，輸入輸出電壓差一般在1～3 V;而低壓差線(xiàn)性穩壓器采用的管子一般是場(chǎng)效應管，導通電阻在幾十~幾百mΩ，所以輸入輸出壓降在1 V以下，做得比較小的可以達到01 V以下，如美國半導體公司的LP3999和LP3985，最小壓差均為006 V。

　　線(xiàn)性集成穩壓器的總功率耗散PD的計算公式如下：

　　其中：Vin為穩壓器輸入電壓;Vout為穩壓器輸出電壓;Iout為穩壓器輸出電流;Iq為穩壓器靜態(tài)電流。

　　線(xiàn)性穩壓器的效率定義為：

　　其中：Vin、Vout、Iout、Iq的含義同式1;Pout為輸出功率;Pin為輸入功率;Iin為輸入電流。

　　根據以上對耗散功率和效率的分析，為了提高效率，必須使輸入/輸出壓差和靜態(tài)電流盡可能小。如果不考慮負載的話(huà)，輸入/輸出壓差是決定效率的關(guān)鍵因素。LDO的工作效率一般在60%～75%之間，靜態(tài)電流小的效率會(huì )好一些。在忽略L(fǎng)DO靜態(tài)電流的情況下，可以采用Vout/Vin來(lái)估算效率。

　　1.1.1普通線(xiàn)性穩壓器

　　圖1線(xiàn)性穩壓器原理圖

　　普通線(xiàn)性穩壓器的原理圖如圖1所示，取樣電壓加在比較器U1的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器U1放大后，控制串聯(lián)調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uo降低時(shí)，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動(dòng)電流增加，串聯(lián)調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高;若輸出電壓Uo超過(guò)所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。

　　在圖1中，根據KVL定律可知，UO=Ui-Vce，Vce為管子集電極到發(fā)射極的壓降，對于普通線(xiàn)性穩壓器，這個(gè)壓降一般為1～3 V，LM7805的輸入/輸出壓差一般在2 V以上，當然這個(gè)壓差是隨工作溫度和輸出電流大小而變化的，不是一個(gè)固定值，在選用普通線(xiàn)性穩壓器的時(shí)候必須滿(mǎn)足輸入/輸出最小壓差的要求，否則穩壓芯片不能正常工作。如LM7805的輸入電壓范圍是5～18 V，預想輸出5 V電壓，輸入電壓必須比預期輸出5 V高出2 V，即輸入電壓必須在7 V以上才能保證芯片正常工作。這一點(diǎn)是設計時(shí)需要特別注意的。

　　普通線(xiàn)性穩壓器的特點(diǎn)如下：

　?、?nbsp;調整管功耗較大，電源效率低，一般只有45%左右。

　?、?nbsp;體積大，需要占用較大的板子空間。

　?、?nbsp;發(fā)熱嚴重，要求較高的場(chǎng)合需要安裝散熱器。

　?、?nbsp;靜態(tài)電流較大，一般在mA級。

　?、?nbsp;需要外接容量較大的低頻濾波電容，增大了電源的體積。

　　普通線(xiàn)性穩壓器價(jià)格低，靜態(tài)電流大，效率較低，最小輸入/輸出電壓差較大，只能用于降壓且對電源效率和體積沒(méi)有嚴格要求的場(chǎng)合，如充電器、實(shí)驗儀器等。

　　1.1.2低壓差線(xiàn)性穩壓器

　　低壓差線(xiàn)性穩壓器的工作原理與普通線(xiàn)性穩壓器的原理完全一樣，都是通過(guò)控制調整管上的壓降變化來(lái)穩定輸出電壓。二者的差異在于采用的調整管結構的不同，從而使LDO比普通線(xiàn)性穩壓器壓差更小，功耗更低。

　　需要說(shuō)明的是，實(shí)際的線(xiàn)性穩壓器還應當具有許多其他的功能，比如負載短路保護、過(guò)壓關(guān)斷、過(guò)熱關(guān)斷、反接保護等，很多芯片的調整管采用MOSFET。

　　當用在降壓并且輸入/輸出電壓很接近的場(chǎng)合，選用LDO穩壓器是一種不錯的選擇，根據上文線(xiàn)性穩壓器效率的分析可知，當輸入/輸出壓差較小時(shí)，LDO可以達到較高的效率。因此，在把鋰離子電池電壓轉換為3 V輸出電壓的應用中大多選用LDO穩壓器。雖然電池的能量最后有10%不能使用，LDO穩壓器仍然能夠保證電池較長(cháng)的工作時(shí)間，同時(shí)噪音較低。

　　此外，LDO具有極高的信噪抑制比，非常適合用做對噪聲敏感的小信號處理電路供電。同時(shí)，由于沒(méi)有開(kāi)關(guān)時(shí)大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾，所以便于設計。很多手機、便攜式設備等對干擾敏感的設備很多都采用多路輸出的LDO用作系統的電源芯片。

　　1.2開(kāi)關(guān)電源

　　1.2.1電容式開(kāi)關(guān)電源

　　電容式開(kāi)關(guān)電源(即電荷泵)基本工作原理是利用電容的儲能的特性，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)(雙極型三極管或者M(jìn)OSFET等)進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲存在電容里，當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開(kāi)關(guān)導通時(shí)間與整個(gè)開(kāi)關(guān)的周期的比值)有關(guān)。電容式開(kāi)關(guān)電源可以用于升壓和降壓。

　　其內部的FET開(kāi)關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(05、2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。

　　電荷泵的特點(diǎn)有：

　?、?nbsp;轉換效率與輸入電壓密切相關(guān)。電荷泵的近似效率計算公式：

　　其中：Vout為輸出電壓;Vin為輸入電壓;n為倍率。

　　由式(3)可以看出，當輸出電壓和倍率一定時(shí)，輸入越小，電荷泵的效率越高。電荷泵效率一般可以達到75%以上。

　?、?nbsp;輸出電壓一般是輸入電壓的倍數，它能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓，常見(jiàn)的有±0.5倍壓、±1倍壓、±1.5倍壓、±2倍壓、±3倍壓。當然，一些新型的片子也支持輸出電壓可調，如MAX1759，輸入電壓范圍是1.6～5.5 V，輸出可固定為33 V或在25～55 V內可調，可提供最大100 mA的輸出電流。

　?、?nbsp;輸出電流較小，一般在300 mA以下。

　?、?nbsp;設計簡(jiǎn)捷，占用印制板面積小，容易使用。

　?、?nbsp;低EMI和輸出紋波。

　?、?nbsp;價(jià)格中等。

　　對采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，采用電荷泵變換器來(lái)獲得負電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數量、減少產(chǎn)品的體積、重量，而且在減少能耗延長(cháng)電池壽命等方面起到極大的作用。在手機和其他的一些通信設備中，常用電荷泵來(lái)驅動(dòng)白光LED用作LCD背光電源。