嵌入式系統電源芯片選型與應用

　　1.2.2電感式開(kāi)關(guān)電源

　　利用電感的儲能的特性，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲存在電感里，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)。

　　電感式DC-DC的特點(diǎn)有：

　?、?nbsp;功耗小，效率高。它通過(guò)使用低電阻開(kāi)關(guān)和磁存儲元件，極大地降低了轉換過(guò)程中的功率損失，其效率可高達到96%。

　?、?nbsp;穩壓范圍寬。從開(kāi)關(guān)穩壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來(lái)調節的，輸入信號電壓的變化可以通過(guò)調頻或調寬來(lái)進(jìn)行補償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開(kāi)關(guān)電源的穩壓范圍很寬，穩壓效果很好。

　?、?nbsp;濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。

　?、?nbsp;電路形式靈活多樣。有自激式和他激式，有調寬型(PWM)和調頻型(PFM)，有單端式和雙端式等，設計者可以發(fā)揮各種類(lèi)型電路的特長(cháng)，設計出能滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)穩壓電源。

　?、?nbsp;可以輸出大電流，靜態(tài)電流小。如Linear Technology的LTC3417，其中的一路可以輸出最大14 A的電流，停機電流小于1 μA。

　?、?nbsp;電感式開(kāi)關(guān)電源存在較大的輸出紋波和開(kāi)關(guān)噪音。

　?、?nbsp;需要的外圍元件多，電路設計比較繁瑣，特別是輸出可調的開(kāi)關(guān)電源，需要計算分壓電阻、電感、濾波電容的取值。當然也有一些公司的開(kāi)關(guān)穩壓芯片外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)電感器、一個(gè)輸入濾波電容、一個(gè)輸出濾波電容即可，如TI的芯片。

　?、?nbsp;成本相對較高。國外一些廠(chǎng)商的高效率DC-DC批量的價(jià)格在2美元以上，零售價(jià)一般在20元左右。

　　電感式DC-DC適用于輸出電流較大、要求較高效率的電池供電場(chǎng)合。

　　2各類(lèi)芯片的優(yōu)缺點(diǎn)比較

　　表1是以上所述的4種電源芯片的比較。

　　表14種電源芯片的比較

　　3選擇電源芯片需要遵循的原則

　?、?nbsp;明確輸入電壓(或范圍)和輸出電壓，根據輸入輸出的大小關(guān)系決定選擇降壓、升壓或升降壓芯片。如果是降壓，則可以選擇線(xiàn)性穩壓器、電容式DC-DC(即電荷泵)或降壓DC-DC(當然升/降壓DC-DC也可以，考慮到性?xún)r(jià)比沒(méi)有必要這樣選);如果是升壓或者升/降壓，則只能選擇DC-DC轉換器(電容式或者電感式升壓DC-DC)。

　?、?nbsp;如果是降壓，考慮效率，需要計算輸入與輸出之間的壓差。若這個(gè)壓差很小(遠遠小于1 V)，則可以考慮選擇低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO);若這個(gè)壓差在1 V以上，則可以考慮選擇普通線(xiàn)性穩壓器或者電感式降壓DC-DC。如果對效率沒(méi)有要求，兩種線(xiàn)性穩壓器都可以的情況下，追求更低成本則可以選用普通線(xiàn)性穩壓器。

　?、?nbsp;在線(xiàn)性穩壓器和DC-DC穩壓器都可以的情況下，若把轉換效率放在第一位，則可以選擇DC-DC穩壓器;若對價(jià)格限制得很?chē)栏?，并且要求較小的紋波和噪聲，則可以考慮選用線(xiàn)性穩壓器。

　?、?nbsp;在使用電池供電時(shí)，若要求較長(cháng)的電池使用時(shí)間，需要優(yōu)先考慮效率，無(wú)論是升壓、降壓、升/降壓都可以選用DC-DC轉換器。為獲得較高的效率，此時(shí)需要參照DC-DC轉換器芯片手冊里邊的效率隨負載電流變化曲線(xiàn)，要根據負載電流選擇合適的DC-DC轉換器，確保穩壓器達到較高的效率。

　?、?nbsp;為保證電池供電系統電源負荷變化較大應用的效率，最好選擇 PFM/PWM自動(dòng)切換控制式的 DC-DC變換器。PWM的特點(diǎn)是噪音低、滿(mǎn)負載時(shí)效率高且能工作在連續導電模式，PFM具有靜態(tài)功耗小，在低負荷時(shí)可改進(jìn)穩壓器的效率。當系統在重負荷時(shí)由PWM控制，在低負荷時(shí)自動(dòng)切換到PFM控制，這樣能夠兼顧輕重負載的效率。在備有待機模式的系統中，采用PFM/PWM切換控制的DC-DC穩壓器能夠得到較高效率。這樣的電源芯片有TPS62110/62111/62112/62113、MAX1705/1706、NCP1523/1530/1550等。

　?、?nbsp;不要“大牛拉小車(chē)”或“小牛拉大車(chē)”。選用電源芯片時(shí)為保證電源的使用壽命，需要留有一定的裕量，較合適的工作電流為電源芯片最大輸出電流的70%～90%。如果用一個(gè)能輸出大電流的穩壓塊來(lái)帶動(dòng)一個(gè)小電流的負載，雖然說(shuō)驅動(dòng)能力沒(méi)有問(wèn)題，但是可能會(huì )帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一方面成本會(huì )提高;另一方面選用DC-DC轉換器時(shí)效率可能會(huì )非常低，因為一般的DC-DC在輸出電流非常小或者非常大的時(shí)候效率都比較低。當使用線(xiàn)性穩壓器(特別是普通線(xiàn)性穩壓器)的時(shí)候，輸出電流要盡量留出較多的裕量，因為線(xiàn)性穩壓器的壓降都消耗在穩壓芯片上了，過(guò)大的負載電流會(huì )造成較為嚴重的發(fā)熱，這一點(diǎn)很容易從式1中看出。所以使用普通線(xiàn)性穩壓器應該留有更大的裕量。

　?、?nbsp;對于電池供電的系統，靜態(tài)電流和效率是需要重點(diǎn)關(guān)注的參數，因為這直接關(guān)系到電池的使用壽命。靜態(tài)電流是與負載電流大小幾乎無(wú)關(guān)的消耗，越小越好。效率是能夠轉為有效利用能量多少的量度，同樣容量大小的電池，電源的效率越高，靜態(tài)電流越小，電池的使用時(shí)間就越長(cháng)。

　?、?nbsp;輸出電流大時(shí)應采用降壓式 DC-DC變換器。便攜式電子產(chǎn)品大部分工作電流在300 mA以下，并且大部分采用AA鎳鎘、鎳氫電池，若采用 1～2節電池，升壓到3.3 V或5 V并要求輸出500 mA以上電流時(shí)，電池壽命不長(cháng)或兩次充電間隔時(shí)間太短，使用不便。這時(shí)采用降壓式DC-DC變換器，其效率與升壓式差不多，但電池充電間隔時(shí)間要長(cháng)得多。

　?、?nbsp;需要負電源時(shí)盡量采用電荷泵。便攜式儀器中往往需要負電源，由于所需電流不大，采用電荷泵組成電壓反轉電路最為簡(jiǎn)單，若要求噪聲小或要求輸出穩壓時(shí)，可采用帶 LDO線(xiàn)性穩壓器的電荷泵芯片。如MAX1720，可以輸出50 mA的電流，關(guān)斷電流只有0.4 μA，輸出負壓的絕對值小于輸入電壓，在此范圍內可以外加分壓電阻進(jìn)行調節。MAX868輸出電流為30 mA，0.1 μA關(guān)斷電流，30 μA靜態(tài)電流，具有可調的輸出范圍(0~2Vin)，具有電源關(guān)斷控制引腳和450 kHz的開(kāi)關(guān)頻率。

　?、?nbsp;特別要注意LDO和Buck(或StepDown)型的特性。DC-DC只能降壓(相對輸入電壓)輸出，盡管有的芯片手冊中給出的輸出范圍很寬。芯片手冊中標定的輸出電壓范圍很多都是針對芯片的輸入電壓范圍的，即針對一個(gè)較小的電壓范圍，輸出是達不到給定的輸出的，只可能比輸入電壓低，不可能超過(guò)輸入電壓的。如Linear Technology的降壓型的 DC-DC轉換器LTC3417,手冊中在DESCRIPTION一節給出的是每一路輸出為從0.8～5 V可調[3]，但根據降壓轉換器的原理可知，輸出與輸入是密切相關(guān)的，并且只能比輸入電壓低。如果輸入為25～42 V，輸出不可能會(huì )高于4.2 V，這一點(diǎn)要特別注意。一樣的情形也會(huì )在線(xiàn)性穩壓器中出現，特別是輸出可調的線(xiàn)性穩壓器，特別容易忽視的一點(diǎn)是，無(wú)論怎么可調，輸出肯定比輸入低一個(gè)壓差(Dropout Voltage)，對于初學(xué)者特別容易犯這樣的錯誤，應該引起高度重視。

　　從電路設計的復雜程度來(lái)說(shuō)，LDO的設計最簡(jiǎn)單，電荷泵次之，電感式DC-DC最為復雜。一般來(lái)說(shuō)，LDO(固定輸出版本)的設計只需要外接2個(gè)陶瓷電容器即可;電荷泵一般需要3～4個(gè)電容;電感式DC-DC的設計需要計算電感值、分壓電阻值、輸入輸出電容的值等，需要的外圍元器件最多，為PCB布局、走線(xiàn)、焊接、調試增加了難度。

　　方便進(jìn)行電源管理。為滿(mǎn)足便攜式系統節能的要求，在為便攜式系統選擇電源芯片時(shí)注重選擇具有關(guān)斷控制管腳的芯片。這里需要采取分區供電的方式，在不需要使用這些某些外設時(shí)，方便把該部分外設的電源關(guān)掉，從而達到節能的目的。

　　結語(yǔ)

　　電源的設計優(yōu)劣關(guān)乎系統設計的成敗，對于電子系統的設計者來(lái)說(shuō)，應該引起足夠重視。也許當你發(fā)現辛辛苦苦設計的系統僅僅是由于電源問(wèn)題而無(wú)法正常工作的時(shí)候，才會(huì )真正意識到電源設計的重要作用。需要指出的是，電源的很多指標是不可能同時(shí)兼顧的，往往需要在效率、噪聲性能、紋波、成本等方面進(jìn)行折中考慮。此外，為簡(jiǎn)化計算，很多電源廠(chǎng)商的網(wǎng)站上都有在線(xiàn)設計工具，輸入相應的指標就可計算出相關(guān)元器件的參數取值，這樣可以提高設計效率。但是，這并不意味這樣就不需要仔細看芯片手冊了，工具不是萬(wàn)能的，某些需要的電源工作模式在工具設計中不一定可以體現出來(lái)，這就需要仔細研讀芯片手冊，在讀懂的基礎上靈活應用。