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)計的好壞直接決定了系統(tǒng)設(shè)計的成敗。出現(xiàn)電源設(shè)計問題的原因一方面是由于設(shè)計者硬件設(shè)計經(jīng)驗不足;另一方面是集成穩(wěn)壓芯片品種繁多、手冊說明不規(guī)范(特別是DC-DC轉(zhuǎn)換器)。電源設(shè)計過程中，除了有電壓和電流基本要求之外，還需要對效率、噪聲、紋波、體積、抗干擾等性能指標有著一定的約束。此外，對于采用電池供電的便攜式嵌入式系統(tǒng)的電源來說，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)壓器也可以細分為兩種，一種是電容式DC-DC轉(zhuǎn)換器，即常說的電荷泵;另一種是電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器，即通常所說的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到01 V以下，如美國半導(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)電流小的效率會好一些。在忽略LDO靜態(tài)電流的情況下，可以采用Vout/Vin來估算效率。

　　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。當輸出電壓Uo降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動電流增加，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超過所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動電流減小，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，對于普通線性穩(wěn)壓器，這個壓降一般為1～3 V，LM7805的輸入/輸出壓差一般在2 V以上，當然這個壓差是隨工作溫度和輸出電流大小而變化的，不是一個固定值，在選用普通線性穩(wěn)壓器的時候必須滿足輸入/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。這一點是設(shè)計時需要特別注意的。

　　普通線性穩(wěn)壓器的特點如下：

　?、?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)熱嚴重，要求較高的場合需要安裝散熱器。

　?、?nbsp;靜態(tài)電流較大，一般在mA級。

　　⑤ 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，只能用于降壓且對電源效率和體積沒有嚴格要求的場合，如充電器、實驗儀器等。

　　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，都是通過控制調(diào)整管上的壓降變化來穩(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。

　　需要說明的是，實際的線性穩(wěn)壓器還應(yīng)當具有許多其他的功能，比如負載短路保護、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、反接保護等，很多芯片的調(diào)整管采用MOSFET。

　　當用在降壓并且輸入/輸出電壓很接近的場合，選用LDO穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇，根據(jù)上文線性穩(wěn)壓器效率的分析可知，當輸入/輸出壓差較小時，LDO可以達到較高的效率。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的工作時間，同時噪音較低。

　　此外，LDO具有極高的信噪抑制比，非常適合用做對噪聲敏感的小信號處理電路供電。同時，由于沒有開關(guān)時大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾，所以便于設(shè)計。很多手機、便攜式設(shè)備等對干擾敏感的設(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能的特性，通過可控開關(guān)(雙極型三極管或者MOSFET等)進行高頻開關(guān)的動作，將輸入的電能儲存在電容里，當開關(guān)斷開時，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(由開關(guān)導(dǎo)通時間與整個開關(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。

　　電荷泵的特點有：

　　① 轉(zhuǎn)換效率與輸入電壓密切相關(guān)。電荷泵的近似效率計算公式：

　　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，當輸出電壓和倍率一定時，輸入越小，電荷泵的效率越高。電荷泵效率一般可以達到75%以上。

　　② 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)生負電壓，常見的有±0.5倍壓、±1倍壓、±1.5倍壓、±2倍壓、±3倍壓。當然，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。

　?、?nbsp;輸出電流較小，一般在300 mA以下。

　　③ 設(shè)計簡捷，占用印制板面積小，容易使用。

　　④ 低EMI和輸出紋波。

　?、?nbsp;價格中等。

　　對采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品來說，采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源，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電池壽命等方面起到極大的作用。在手機和其他的一些通信設(shè)備中，常用電荷泵來驅(qū)動白光LED用作LCD背光電源。