MSP430混合電壓和邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 引言

近年來(lái)，半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步和發(fā)展，為便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用提供了動(dòng)力和保證。便攜式設(shè)備要求使用體積小、功耗低、電池耗電小的器件。因低電壓器件的成本比傳統(tǒng)5V器件更低、功耗更小、性能更優(yōu)，加上多數(shù)器件的I/O腳可以兼容5V/3.3V TTL電平，可以直接使用在原有系統(tǒng)中，所以各大半導(dǎo)體公司都將3.3V、2.5V等低電壓集成電路作為推廣重點(diǎn)。但是，目前市場(chǎng)上仍有許多5V電源的邏輯器件和數(shù)字器件，因此在許多設(shè)計(jì)中3.3V（含3V）邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，不同電源電壓和不同邏輯電平器件間的接口問(wèn)題將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)存在。美國(guó)TI（Texas Instruments）公司推出的混合信號(hào)微控制器MSP430系列，正是這樣款低電壓（1.8V ~ 3.6V）、低功耗、高性能的芯片系列。并且它還自帶1到2個(gè)串行通信口，因此在使用它的過(guò)程中就不可避免的要碰到不同電壓、電平的接口問(wèn)題。

2. 電源問(wèn)題

MSP430系列的典型工作電壓是3.3V，而目前一個(gè)系統(tǒng)中的主電源電壓常常是5V。因此在一個(gè)混合系統(tǒng)中首先要解決5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換問(wèn)題。通常可以采用以下幾種辦法：

2.1 采用低壓差線形穩(wěn)壓芯片（LDO）

線形穩(wěn)壓芯片是一種最簡(jiǎn)單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不要外圍元件。 但是傳統(tǒng)的線形穩(wěn)壓器，如78xx系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高2V ~ 3V以上，否則不能正常工作，所以78xx系列已經(jīng)不能夠滿足3.3V電源設(shè)計(jì)要求。面對(duì)低電壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線形穩(wěn)壓器 LDO（Low Dropout Regulator）。這種電源芯片的壓差只有1.3V ~ 0.2V，可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V/2.5V，3.3V轉(zhuǎn)2.5V/1.8V等要求。生產(chǎn)LDO的公司很多，常見(jiàn)的有：ALPHA、 LT(Linear Technology)、 NI (National semiconductor)、TI等。圖1為利用 LT1086-3.3完成5V轉(zhuǎn)3.3V/1.5A 的應(yīng)用電路，圖中的電容要采用鉭電容。有一些LDO芯片還自帶有電源管理功能，可以工作在節(jié)電模式。

2.2 自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源也是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的一種方法，而且效率很高，但設(shè)計(jì)要比使用線形穩(wěn)壓器復(fù)雜得多。不過(guò)對(duì)于大電流高功率的設(shè)計(jì)，建議采用開(kāi)關(guān)電源。例如一個(gè)5V轉(zhuǎn)3.3V/5A輸出的電路，如用線形穩(wěn)壓器，則穩(wěn)壓器功耗為：(5-3.3)×5 = 8.5w，功耗太大，而且必須要加很大的散熱片。如采用開(kāi)關(guān)電源，例如LT1530，則效率可以達(dá)到85% - 90%，功耗只有2w左右。生產(chǎn)這類芯片的公司也很多，如：MAXIM、LT、NI等。

2.3 直接采用電源模塊

考慮到開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，一些公司推出了基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊可以實(shí)現(xiàn)電源隔離。用戶只需要加很少的外圍元件即可使用。電源模塊使用方便，但是價(jià)格昂貴。常見(jiàn)生產(chǎn)電源模塊的公司有：Agere（原來(lái)朗訊的微電子部）、Ericsson、Vicor等。國(guó)內(nèi)也有很多公司，如上海衡孚等。

2.4 利用電阻分壓

2.5 四種電源解決方案比較：

到底應(yīng)該采取何種電源設(shè)計(jì)方案，取決于我們?cè)O(shè)計(jì)的具體要求。通常小功率或?qū)﹄娫葱室筝^低的時(shí)候，可以采用LDO。如對(duì)效率有較高要求，或電源功率較大，則應(yīng)該使用開(kāi)關(guān)電源模塊或自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源。最終是采用電源模塊或自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源，則取決于成本要求和設(shè)計(jì)能力。以上幾種方法各有所長(zhǎng)，各有不足。表1給出了詳細(xì)的比較情況。MSP430的特點(diǎn)之一是低功耗，因此如果要利用它的這個(gè)特點(diǎn)就不能采用電阻分壓法。