嵌入式系統(tǒng)電源芯片選型與應(yīng)用

　　1.2.2電感式開關(guān)電源

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

　　電感式DC-DC的特點(diǎn)有：

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

　?、?nbsp;穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)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(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)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(diào)寬型(PWM)和調(diào)頻型(PFM)，有單端式和雙端式等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場合的開關(guān)穩(wěn)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(jī)電流小于1 μA。

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

　?、?nbsp;需要的外圍元件多，電路設(shè)計(jì)比較繁瑣，特別是輸出可調(diào)的開關(guān)電源，需要計(jì)算分壓電阻、電感、濾波電容的取值。當(dāng)然也有一些公司的開關(guān)穩(wěn)壓芯片外圍電路非常簡單，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。

　　⑧ 成本相對較高。國外一些廠商的高效率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合。

　　2各類芯片的優(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(jù)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，則可以選擇線性穩(wěn)壓器、電容式DC-DC(即電荷泵)或降壓DC-DC(當(dāng)然升/降壓DC-DC也可以，考慮到性價(jià)比沒有必要這樣選);如果是升壓或者升/降壓，則只能選擇DC-DC轉(zhuǎn)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(jì)算輸入與輸出之間的壓差。若這個(gè)壓差很小(遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 V)，則可以考慮選擇低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO);若這個(gè)壓差在1 V以上，則可以考慮選擇普通線性穩(wěn)壓器或者電感式降壓DC-DC。如果對效率沒有要求，兩種線性穩(wěn)壓器都可以的情況下，追求更低成本則可以選用普通線性穩(wěn)壓器。

　　③ 在線性穩(wěn)壓器和DC-DC穩(wěn)壓器都可以的情況下，若把轉(zhuǎn)換效率放在第一位，則可以選擇DC-DC穩(wěn)壓器;若對價(jià)格限制得很嚴(yán)格，并且要求較小的紋波和噪聲，則可以考慮選用線性穩(wěn)壓器。

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

　　⑤ 為保證電池供電系統(tǒng)電源負(fù)荷變化較大應(yīng)用的效率，最好選擇 PFM/PWM自動切換控制式的 DC-DC變換器。PWM的特點(diǎn)是噪音低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式，PFM具有靜態(tài)功耗小，在低負(fù)荷時(shí)可改進(jìn)穩(wěn)壓器的效率。當(dāng)系統(tǒng)在重負(fù)荷時(shí)由PWM控制，在低負(fù)荷時(shí)自動切換到PFM控制，這樣能夠兼顧輕重負(fù)載的效率。在備有待機(jī)模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的DC-DC穩(wěn)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”或“小牛拉大車”。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(wěn)壓塊來帶動一個(gè)小電流的負(fù)載，雖然說驅(qū)動能力沒有問題，但是可能會帶來兩個(gè)問題，一方面成本會提高;另一方面選用DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)效率可能會非常低，因?yàn)橐话愕腄C-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(dāng)使用線性穩(wěn)壓器(特別是普通線性穩(wěn)壓器)的時(shí)候，輸出電流要盡量留出較多的裕量，因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器的壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上了，過大的負(fù)載電流會造成較為嚴(yán)重的發(fā)熱，這一點(diǎn)很容易從式1中看出。所以使用普通線性穩(wěn)壓器應(yīng)該留有更大的裕量。

　　⑦ 對于電池供電的系統(tǒng)，靜態(tài)電流和效率是需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)，因?yàn)檫@直接關(guān)系到電池的使用壽命。靜態(tài)電流是與負(fù)載電流大小幾乎無關(guān)的消耗，越小越好。效率是能夠轉(zhuǎn)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。

　?、?nbsp;輸出電流大時(shí)應(yīng)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(jié)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)間要長得多。

　　⑨ 需要負(fù)電源時(shí)盡量采用電荷泵。便攜式儀器中往往需要負(fù)電源，由于所需電流不大，采用電荷泵組成電壓反轉(zhuǎn)電路最為簡單，若要求噪聲小或要求輸出穩(wěn)壓時(shí)，可采用帶 LDO線性穩(wěn)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(fù)壓的絕對值小于輸入電壓，在此范圍內(nèi)可以外加分壓電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(diào)的輸出范圍(0~2Vin)，具有電源關(guān)斷控制引腳和450 kHz的開關(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(biāo)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(dá)不到給定的輸出的，只可能比輸入電壓低，不可能超過輸入電壓的。如Linear Technology的降壓型的 DC-DC轉(zhuǎn)換器LTC3417,手冊中在DESCRIPTION一節(jié)給出的是每一路輸出為從0.8～5 V可調(diào)[3]，但根據(jù)降壓轉(zhuǎn)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，輸出不可能會高于4.2 V，這一點(diǎn)要特別注意。一樣的情形也會在線性穩(wěn)壓器中出現(xiàn)，特別是輸出可調(diào)的線性穩(wěn)壓器，特別容易忽視的一點(diǎn)是，無論怎么可調(diào)，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(cuò)誤，應(yīng)該引起高度重視。

　　從電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度來說，LDO的設(shè)計(jì)最簡單，電荷泵次之，電感式DC-DC最為復(fù)雜。一般來說，LDO(固定輸出版本)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)需要計(jì)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、焊接、調(diào)試增加了難度。

　　方便進(jìn)行電源管理。為滿足便攜式系統(tǒng)節(jié)能的要求，在為便攜式系統(tǒng)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(qū)供電的方式，在不需要使用這些某些外設(shè)時(shí)，方便把該部分外設(shè)的電源關(guān)掉，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

　　結(jié)語

　　電源的設(shè)計(jì)優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，對于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，應(yīng)該引起足夠重視。也許當(dāng)你發(fā)現(xiàn)辛辛苦苦設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅僅是由于電源問題而無法正常工作的時(shí)候，才會真正意識到電源設(shè)計(jì)的重要作用。需要指出的是，電源的很多指標(biāo)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，為簡化計(jì)算，很多電源廠商的網(wǎng)站上都有在線設(shè)計(jì)工具，輸入相應(yīng)的指標(biāo)就可計(jì)算出相關(guān)元器件的參數(shù)取值，這樣可以提高設(shè)計(jì)效率。但是，這并不意味這樣就不需要仔細(xì)看芯片手冊了，工具不是萬能的，某些需要的電源工作模式在工具設(shè)計(jì)中不一定可以體現(xiàn)出來，這就需要仔細(xì)研讀芯片手冊，在讀懂的基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用。