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(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(jì)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(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 線性穩(wěn)壓器原理圖 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(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(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，要求較高的場合需要安裝散熱器。 ④ 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(jià)格低，靜態(tài)電流大，效率較低，最小輸入/輸出電壓差較大，只能用于降壓且對電源效率和體積沒有嚴(yán)格要求的場合，如充電器、實(shí)驗(yàn)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(shí)際的線性穩(wěn)壓器還應(yīng)當(dāng)具有許多其他的功能，比如負(fù)載短路保護(hù)、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、反接保護(hù)等，很多芯片的調(diào)整管采用MOSFET。 當(dāng)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(dāng)輸入/輸出壓差較小時(shí)，LDO可以達(dá)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(shí)間，同時(shí)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(shí)，由于沒有開關(guān)時(shí)大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾，所以便于設(shè)計(jì)。很多手機(jī)、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M(jìn)OSFET等）進(jìn)行高頻開關(guān)的動作，將輸入的電能儲存在電容里，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(diǎn)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(jì)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(dāng)輸出電壓和倍率一定時(shí)，輸入越小，電荷泵的效率越高。電荷泵效率一般可以達(dá)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(fù)電壓，常見的有?0.5倍壓、?1倍壓、?1.5倍壓、?2倍壓、?3倍壓。當(dāng)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。 ② 輸出電流較小，一般在300 mA以下。 ③ 設(shè)計(jì)簡捷，占用印制板面積小，容易使用。 ④ 低EMI和輸出紋波。 ⑤ 價(jià)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(fù)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(jī)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。 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： ① 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%。 ② 穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(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。 ③ 濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。 ④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ 電感式開關(guān)電源存在較大的輸出紋波和開關(guān)噪音。 ⑦ 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1  4種電源芯片的比較 4種電源芯片的比較 3  選擇電源芯片需要遵循的原則 ① 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）。 ② 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?。ㄟh(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。 ④ 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。 ⑥ 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。 ⑧ 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。 ⑩ 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。