嵌入式系統(tǒng)電源芯片選型與應(yīng)用

　　電源是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，電源設(shè)計(jì)的好壞直接決定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。出現(xiàn)電源設(shè)計(jì)問(wèn)題的原因一方面是由于設(shè)計(jì)者硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足;另一方面是集成穩(wěn)壓芯片品種繁多、手冊(cè)說(shuō)明不規(guī)范(特別是DC-DC轉(zhuǎn)換器)。電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了有電壓和電流基本要求之外，還需要對(duì)效率、噪聲、紋波、體積、抗干擾等性能指標(biāo)有著一定的約束。此外，對(duì)于采用電池供電的便攜式嵌入式系統(tǒng)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(diào)整管的工作狀態(tài)來(lái)分，直流穩(wěn)壓電源可以分為兩大類：一類是線性穩(wěn)壓電源;另一類是開關(guān)穩(wěn)壓電源[1]。調(diào)整管工作在線性狀態(tài)的稱為線性穩(wěn)壓器;調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)的稱為開關(guān)型穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓電源可以細(xì)分為兩種，一種是普通線性穩(wěn)壓器;另一種是低壓差線性穩(wěn)壓器(Low DropOut regulator，LDO)。開關(guān)電源穩(wěn)壓器也可以細(xì)分為兩種，一種是電容式DC-DC轉(zhuǎn)換器，即常說(shuō)的電荷泵;另一種是電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器，即通常所說(shuō)的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

　　1.1線性穩(wěn)壓器

　　在保證輸出穩(wěn)定的前提下，輸入電壓高出預(yù)設(shè)輸出電壓的電壓值叫輸入/輸出電壓差。這個(gè)參數(shù)不僅與穩(wěn)壓器采用的調(diào)整管有關(guān)，而且與管子的工作狀態(tài)有關(guān)。普通線性穩(wěn)壓器采用的調(diào)整管一般是雙極型晶體管，管子工作在線性狀態(tài)，輸入輸出電壓差一般在1～3 V;而低壓差線性穩(wěn)壓器采用的管子一般是場(chǎng)效應(yīng)管，導(dǎo)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(dá)到01 V以下，如美國(guó)半導(dǎo)體公司的LP3999和LP3985，最小壓差均為006 V。

　　線性集成穩(wěn)壓器的總功率耗散PD的計(jì)算公式如下：

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

　　線性穩(wěn)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(jù)以上對(duì)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(fù)載的話，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LDO靜態(tài)電流的情況下，可以采用Vout/Vin來(lái)估算效率。

　　1.1.1普通線性穩(wěn)壓器

　　圖1線性穩(wěn)壓器原理圖

　　普通線性穩(wěn)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(zhǔn)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(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uo降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)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(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。

　　在圖1中，根據(jù)KVL定律可知，UO=Ui-Vce，Vce為管子集電極到發(fā)射極的壓降，對(duì)于普通線性穩(wěn)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(dāng)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，在選用普通線性穩(wěn)壓器的時(shí)候必須滿足輸入/輸出最小壓差的要求，否則穩(wěn)壓芯片不能正常工作。如LM7805的輸入電壓范圍是5～18 V，預(yù)想輸出5 V電壓，輸入電壓必須比預(yù)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(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意的。

　　普通線性穩(wěn)壓器的特點(diǎn)如下：

　?、?nbsp;調(diào)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(yán)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(jí)。

　?、?nbsp;需要外接容量較大的低頻濾波電容，增大了電源的體積。

　　普通線性穩(wěn)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(duì)電源效率和體積沒(méi)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，如充電器、實(shí)驗(yàn)儀器等。

　　1.1.2低壓差線性穩(wěn)壓器

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

　　需要說(shuō)明的是，實(shí)際的線性穩(wěn)壓器還應(yīng)當(dāng)具有許多其他的功能，比如負(fù)載短路保護(hù)、過(guò)壓關(guān)斷、過(guò)熱關(guān)斷、反接保護(hù)等，很多芯片的調(diào)整管采用MOSFET。

　　當(dāng)用在降壓并且輸入/輸出電壓很接近的場(chǎng)合，選用LDO穩(wěn)壓器是一種不錯(cuò)的選擇，根據(jù)上文線性穩(wěn)壓器效率的分析可知，當(dāng)輸入/輸出壓差較小時(shí)，LDO可以達(dá)到較高的效率。因此，在把鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3 V輸出電壓的應(yīng)用中大多選用LDO穩(wěn)壓器。雖然電池的能量最后有10%不能使用，LDO穩(wěn)壓器仍然能夠保證電池較長(zhǎng)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(duì)噪聲敏感的小信號(hào)處理電路供電。同時(shí)，由于沒(méi)有開關(guān)時(shí)大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾，所以便于設(shè)計(jì)。很多手機(jī)、便攜式設(shè)備等對(duì)干擾敏感的設(shè)備很多都采用多路輸出的LDO用作系統(tǒng)的電源芯片。

　　1.2開關(guān)電源

　　1.2.1電容式開關(guān)電源

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

　　其內(nèi)部的FET開關(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(shù)(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(zhuǎn)換效率與輸入電壓密切相關(guān)。電荷泵的近似效率計(jì)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(dāng)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(dá)到75%以上。

　?、?nbsp;輸出電壓一般是輸入電壓的倍數(shù)，它能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓，常見的有±0.5倍壓、±1倍壓、±1.5倍壓、±2倍壓、±3倍壓。當(dāng)然，一些新型的片子也支持輸出電壓可調(diào)，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(nèi)可調(diào)，可提供最大100 mA的輸出電流。

　　② 輸出電流較小，一般在300 mA以下。

　?、?nbsp;設(shè)計(jì)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(duì)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(fù)電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產(chǎn)品的體積、重量，而且在減少能耗延長(zhǎng)電池壽命等方面起到極大的作用。在手機(jī)和其他的一些通信設(shè)備中，常用電荷泵來(lái)驅(qū)動(dòng)白光LED用作LCD背光電源。