嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)決巧，搞定電壓轉(zhuǎn)換!

　高效能的嵌入式系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)一般比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)獨(dú)特的多重電壓級(jí)時(shí)需滿足精準(zhǔn)的電壓、電流、紋波、噪聲濾波、同步化、軟啟動(dòng)和電源分隔等要求。本文根據(jù)硬件設(shè)計(jì)大俠在一些嵌入式系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)技巧，整理出嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)秘籍，9大電壓轉(zhuǎn)換訣竅!奉獻(xiàn)給EEPW網(wǎng)友們，在嵌入式電源電路的設(shè)計(jì)中好好把握，也讓大家節(jié)省設(shè)計(jì)所需的寶貴時(shí)間。

　　1.高瞻遠(yuǎn)矚，需細(xì)思量：FPGA系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)，包括現(xiàn)在風(fēng)頭正勁的ARM為主的32位微處理器嵌入式系統(tǒng)都是多電源低電壓供電。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，還要有電源管理的考慮。

　　嵌入式系統(tǒng)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)說明不規(guī)范，特別是有些廠商LDO,以及DC-DC轉(zhuǎn)換器的說明使用，讓人似懂非懂。

　　2.知己知彼，掌握秘籍：

　　嵌入式系統(tǒng)電源一般有這么幾種類型的電源引腳：用于向內(nèi)核供電，一般為3.3V，1.8V;分別給PLL、振蕩器、復(fù)位電路，包括ADC部分供電，一般為3.3V，2.5V，2.0V，1.8V，1.5V，1.2V等;分別用于給外設(shè)I/O口線、USB收發(fā)器以及外部總線接口I/O口線供電，一般為3.3V，2.5V,1.8V等。系統(tǒng)的鍵盤、顯示電路的供電電壓需要+5V電源。通過對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制要求和性能進(jìn)行分析，一般系統(tǒng)的負(fù)載電流大約為3A以上，一般的系統(tǒng)需要使用至少3組以上的電源供電。

　　隨著尺寸的減小，晶體管擊穿電壓變得更低，最終，當(dāng)擊穿電壓低于電源電壓時(shí)，就要求減小電源電壓。因此，隨著速度的提高和復(fù)雜程度的上升，對(duì)于高密度器件而言，不可避免的后果就是電源電壓將從5V降至3.3V，甚至1.8V，1.2V等。

　　因此，作為系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)人員，面臨著連接5V和3.3V，1.8V等電壓轉(zhuǎn)換的的任務(wù)。這個(gè)任務(wù)不僅包括邏輯電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)還包括為3.3V系統(tǒng)供電、轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)使之跨越1.2V/1.8V/3.3V/5V的障礙。

　　秘籍：看懂下面的圖1，神馬多嵌入式電源電壓轉(zhuǎn)換就是浮云!

　　圖1：不同電壓電平轉(zhuǎn)換的閥值

　　圖1顯示了不同電源電壓和器件技術(shù)的閾值電平。為了成功連接兩個(gè)器件，必須符合以下要求：

　?、?驅(qū)動(dòng)器的VOH必須高于接收器的VIH。

　?、?驅(qū)動(dòng)器的VOL必須低于接收器的VIL。

　?、?驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓不得超過接收器的I/O電壓容差。

　　3.九大訣竅，分而治之：

　?、?V至3.3V轉(zhuǎn)換完全可以用LDO穩(wěn)壓器解決

　　如果電路負(fù)載電流不大對(duì)效率無(wú)要求的設(shè)計(jì)，可以使用簡(jiǎn)單穩(wěn)定的線性穩(wěn)壓器。如果電流需求較高的話，可能就需要開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案。對(duì)成本敏感的應(yīng)用，也可能需要簡(jiǎn)單的分立式二極管穩(wěn)壓器。

　　圖2：幾種電源性能比較

　　標(biāo)準(zhǔn)三端線性穩(wěn)壓器的壓差通常是2.0-3.0V。要把5V可靠地轉(zhuǎn)換為3.3V，壓差為幾百個(gè)毫伏的低壓降(LowDropout，LDO)穩(wěn)壓器，是此類應(yīng)用的理想選擇。LDO內(nèi)部由四個(gè)主要部分組成：1.導(dǎo)通晶體管2.帶隙參考源3.運(yùn)算放大器4.反饋電阻分壓器。

　　訣竅：在選擇LDO時(shí)，重要的是要知道如何區(qū)分各種LDO。器件的靜態(tài)電流、封裝大小和型號(hào)是重要的器件參數(shù)。根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)確定各種參數(shù)，將會(huì)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。如下圖采用LM1117-3.3V(AMS1117)供電

　　圖3：低壓差LDO的5V到3.3V的典型運(yùn)用

?、趶?V電源向3.3V系統(tǒng)供電訣竅—正確使用開關(guān)穩(wěn)壓器

　　如圖4所示，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種基于電感的轉(zhuǎn)換器，用來(lái)把輸入電壓源降低至幅值較低的輸出電壓。輸出穩(wěn)壓是通過控制MOSFETQ1的導(dǎo)通(ON)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于MOSFET要么處于低阻狀態(tài)，要么處于高阻狀態(tài)(分別為ON和OFF)，因此高輸入源電壓能夠高效率地轉(zhuǎn)換成較低的輸出電壓。

　　圖4：開關(guān)穩(wěn)壓器件在降壓電路的使用

　　訣竅：在選擇開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，在使用開關(guān)穩(wěn)壓芯片時(shí)，對(duì)于連接兩個(gè)工作電壓不同的器件時(shí)，必須要知道其各自的輸出、輸入閾值。知道閾值之后，可根據(jù)應(yīng)用的其他需求選擇器件的連接方法。圖5是大俠們所使用的輸出、輸入閾值一個(gè)列表。在設(shè)計(jì)連接時(shí)，請(qǐng)務(wù)必參考制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)以獲得實(shí)際的閾值電平。

　　圖5：典型輸出、輸入閾值列表

　?、?V到5V使用MOS管轉(zhuǎn)換方案

　　如果5V輸入的VIH比3.3VCMOS器件的VOH要高，則驅(qū)動(dòng)任何這樣的5V輸入就需要額外的電路。

　　圖6：所示為低成本的雙元件解決方案

　　訣竅：在選擇R1的阻值時(shí)，需要考慮兩個(gè)參數(shù)，即：輸入的開關(guān)速度和R1上的電流消耗。當(dāng)把輸入從0切換到1時(shí)，需要計(jì)入因R1形成的RC時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致的輸入上升時(shí)間、5V輸入的輸入容抗以及電路板上任何的雜散電容。輸入開關(guān)速度可通過下

　　式計(jì)算：TSW=3xR1x(CIN+CS)。

　　④3V到5V可以嘗試用電壓比較器。如圖7：

　　圖7：3V到5V使用電壓比較器

　　比較器的基本工作如下：

　　?反相(-)輸入電壓大于同相(+)輸入電壓時(shí)，比較器輸出切換到Vss。

　　?同相(+)輸入端電壓大于反相(-)輸入電壓時(shí)，比較器輸出為高電平。

　　訣竅：為了保持3.3V輸出的極性，3.3V輸出必須連接到比較器的同相輸入端。比較器的反相輸入連接到由R1和R2確定的參考電壓處。

　　如何計(jì)算R1和R2?R1和R2之比取決于輸入信號(hào)的邏輯電平。對(duì)于3.3V輸出，反相電壓應(yīng)該置于VOL與VOH之間的中點(diǎn)電壓。對(duì)于LVCMOS輸出，中點(diǎn)電壓為：

　　如果R1和R2的邏輯電平關(guān)系如下，

　　若R2取值為1K，則R1為1.8K。經(jīng)過適當(dāng)連接后的運(yùn)算放大器可以用作比較器，以

　　將3.3V輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為5V輸出信號(hào)。

　　特別注意：要使運(yùn)算放大器在5V供電下正常工作，輸出必須具有軌到軌驅(qū)動(dòng)能力。

　?、?.3V到5V轉(zhuǎn)換大膽使用模擬增益模塊

　　低電平信號(hào)可能不需要外部電路，但在3.3V與5V之間傳送信號(hào)的系統(tǒng)則會(huì)受到電源變化的影響，可以大膽使用模擬增益模塊，這種看似難懂的模塊用于補(bǔ)償3.3V轉(zhuǎn)換到5V的模擬電壓。例如，在3.3V系統(tǒng)中，ADC轉(zhuǎn)換1V峰值的模擬信號(hào)，其分辨率要比5V系統(tǒng)中ADC轉(zhuǎn)換的高，這是因?yàn)樵?.3VADC中，ADC量程中更多的部分用于轉(zhuǎn)換。但另一方面，3.3V系統(tǒng)中相對(duì)較高的信號(hào)幅值，與系統(tǒng)較低的共模電壓限制可能會(huì)發(fā)生沖突。

　　圖8：3.3V到5V模擬增益模塊的使用

　　訣竅：這種方法要將5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3V模擬信號(hào)，最簡(jiǎn)單的方法是計(jì)算好R1:R2比值為1.7:3.3的電阻分壓器?！?span style="color: rgb(103, 103, 103);">⑥雙電源轉(zhuǎn)換器

　　雙電源器件是為在不同電源電壓下工作的兩種總線或器件之間的異步通信設(shè)計(jì)的。這些器件使用兩個(gè)電源電壓：VCCA與A端連接，VCCB與B端連接。對(duì)于雙向電平轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)是從A發(fā)送到B還是從B發(fā)送到A，取決于DIR輸入端的邏輯電平。在具有輸出使能(OE)控制輸入端的器件上，當(dāng)OE無(wú)效時(shí)，A總線和B總線被有效隔離。

　　圖9:雙電源電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換波形

　　訣竅：這些器件可在各種電壓節(jié)點(diǎn)之間執(zhí)行雙向電平轉(zhuǎn)換比較常用的是SN74AVCB324245，從1.8V轉(zhuǎn)換為3.3V，同時(shí)另一組從3.3V轉(zhuǎn)換為1.8V，它們功耗低、傳播延遲短且具有工作電流驅(qū)動(dòng)能力。

　?、唠娖睫D(zhuǎn)換應(yīng)用中使用漏極開路器件

　　有漏極開路輸出的器件在輸出與GND之間有一個(gè)N溝道晶體管。當(dāng)輸出電壓由VCCB確定時(shí)，VCCB可以高于輸入高電平電壓(即上升轉(zhuǎn)換)或低于輸入高電平電壓(即下降轉(zhuǎn)換)。如圖10。

　　圖10:電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用漏極開路器件

　　圖10中使用了1.8V的電源電壓，輸入端可能出現(xiàn)的最低VIH識(shí)別為有效高電平信號(hào)。輸出上拉電阻的最小值受漏極開路器件的最大電流吸入能力(IOL的最大值)限制，其最大值則受輸出信號(hào)的最大允許上升時(shí)間限制。

　　訣竅：看懂這個(gè)公式，神馬又是浮云!

　　舉例如圖9中所示的SN74LVC2G07情況，假定VPU1=5V?±0.5V、VPU2=1.8V?±0.15V且使用容差為5%的電阻，則：

　　原則是容差為5%的標(biāo)準(zhǔn)電阻的最接近(次高)值為1.5kΩ和為430Ω。

　　⑧使用過壓輸入端的邏輯器件轉(zhuǎn)換的訣竅

　　好多電子硬件工程師都喜歡使用類似SN74LVC244A的器件進(jìn)行5V到3.3V的轉(zhuǎn)換，這類具有可過壓輸入端的器件，在用的時(shí)候允許輸入電壓高于器件的電源電壓。

　　當(dāng)將可過壓器件用于電平轉(zhuǎn)換時(shí)，如果輸入信號(hào)具有緩慢的邊沿變化，則可能影響輸出信號(hào)的占空比，這個(gè)可不是電壓轉(zhuǎn)換想要的哦!怎么辦，看訣竅!

　　圖11：過壓輸入端邏輯器件

訣竅：使用這些器件