嵌入式系統(tǒng)電源芯片選型與應(yīng)用

摘要: 對(duì)嵌入式系統(tǒng)可使用的4類電源芯片--普通線性穩(wěn)壓器、低壓差線性穩(wěn)壓器、電容式DC-DC轉(zhuǎn)換器(即電荷泵）、電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器--進(jìn)行了原理介紹和特點(diǎn)分析，提出了電源芯片選型的原則，最后給出了一個(gè)電源設(shè)計(jì)實(shí)例。

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DC-DC轉(zhuǎn)換器）。電源設(shè)計(jì)過程中，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(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(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。

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來估算效率。

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：

① 調(diào)整管功耗較大，電源效率低，一般只有45%左右。

② 體積大，需要占用較大的板子空間。

③ 發(fā)熱嚴(yán)重，要求較高的場(chǎng)合需要安裝散熱器。

④ 靜態(tài)電流較大，一般在mA級(jí)。

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(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)電源效率和體積沒有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，如充電器、實(shí)驗(yàn)儀器等。