嵌入式系统电源芯片选型与应用

《嵌入式系统电源芯片选型与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统电源芯片选型与应用（16页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、嵌入式系统电源芯片选型与应用来源：维库作者：摘要：对嵌入式系统可使用的4类电源芯片-普通线性稳 压器、低压差线性稳压器、电容式DC-DC转换器（即电荷泵）、 电感式DC-DC转换器-进行了原理介绍和特点分析，提出了 电源芯片选型的原则，最后给出了一个电源设计实例。电源是嵌入式系统中不可缺少的重要组成部分，电源设计的好 坏直接决定了系统设计的成败。出现电源设计问题的原因一方 面是由于设计者硬件设计经验不足;另一方面是集成稳压芯片 品种繁多、手册说明不规范（特别是DC-DC转换器）。电源 设计过程中，除了有电压和电流基本要求之外，还需要对效率、 噪声、纹波、体积、抗干扰等性能指标有着一定的约束。此

2、外, 对于采用电池供电的便携式嵌入式系统的电源来说，还要有电 源管理的考虑。1电源技术概述按照调整管的工作状态来分，直流稳压电源可以分为两大类: 一类是线性稳压电源；另一类是开关稳压电源1。调整管工 作在线性状态的称为线性稳压器;调整管工作在开关状态的称 为开关型稳压器。线性稳压电源可以细分为两种，一种是普通线性稳压器；另一种是低压差线性稳压器(Low DropOut regulator, LDO)。开关电源稳压器也可以细分为两种，一 种是电容式DC-DC转换器，即常说的电荷泵；另一种是电感 式DC-DC转换器，即通常所说的DC-DC转换器。11线性稳压器在保证输出稳定的前提下,输入电压高出预

3、设输出电压的电压 值叫输入/输出电压差。这个参数不仅与稳压器采用的调整管 有关，而且与管子的工作状态有关。普通线性稳压器采用的调 整管一般是双极型晶体管，管子工作在线性状态，输入输出电 压差一般在13 V；而低压差线性稳压器米用的管子一般是 场效应管，导通电阻在几十几百mQ,所以输入输出压降在 1 V以下，做得比较小的可以达到0口1 V以下，如美国半导 体公司的LP3999和LP3985，最小压差均为0口06 V。线性集成稳压器的总功率耗散PD的计算公式如下：其中：Vin为稳压器输入电压；Vout为稳压器输出电压；lout 为稳压器输出电流；Iq为稳压器静态电流。线性稳压器的效率定义为:其中：

4、Vin、Vout、lout、Iq的含义同式1； Pout为输出功率;Pin为输入功率；Iin为输入电流。根据以上对耗散功率和效率的分析，为了提高效率，必须使输 入/输出压差和静态电流尽可能小。如果不考虑负载的话，输 入/输出压差是决定效率的关键因素。LDO的工作效率一般在 60%75%之间，静态电流小的效率会好一些。在忽略LDO 静态电流的情况下，可以米用Vout/Vin来估算效率。1.1.1普通线性稳压器线性稳压器原理图图1线性稳压器原理图 普通线性稳压器的原理图如图1所示，取样电压加在比较器 U1的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比 较,两者的差值经放大器U1放大后，控制串

5、联调整管的压降, 从而稳定输出电压。当输出电压Uo降低时，基准电压与取样 电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整 管压降减小，从而使输出电压升高；若输出电压Uo超过所需 要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出 电压降低。在图1中，根据KVL定律可知，UO=Ui-Vce，Vce为管子集 电极到发射极的压降，对于普通线性稳压器，这个压降一般为 13 V，LM7805的输入/输出压差一般在2 V以上，当然这 个压差是随工作温度和输出电流大小而变化的，不是一个固定 值，在选用普通线性稳压器的时候必须满足输入/输出最小压 差的要求，否则稳压芯片不能正常工作。如 LM780

6、5 的输入 电压范围是5-18 V，预想输出5 V电压，输入电压必须比预 期输出5 V高出2 V，即输入电压必须在7 V以上才能保证芯 片正常工作。这一点是设计时需要特别注意的。普通线性稳压器的特点如下： 调整管功耗较大，电源效率低，一般只有 45%左右。 体积大，需要占用较大的板子空间。 发热严重，要求较高的场合需要安装散热器。 静态电流较大，一般在 mA 级。 需要外接容量较大的低频滤波电容，增大了电源的体积。 普通线性稳压器价格低，静态电流大，效率较低，最小输入/ 输出电压差较大，只能用于降压且对电源效率和体积没有严格 要求的场合，如充电器、实验仪器等。1.1.2 低压差线性稳压器低压差

7、线性稳压器的工作原理与普通线性稳压器的原理完全 一样，都是通过控制调整管上的压降变化来稳定输出电压。二 者的差异在于采用的调整管结构的不同，从而使LDO比普通 线性稳压器压差更小，功耗更低。需要说明的是，实际的线性稳压器还应当具有许多其他的功 能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等， 很多芯片的调整管采用 MOSFET。当用在降压并且输入/输出电压很接近的场合，选用 LDO 稳压器是一种不错的选择，根据上文线性稳压器效率的分析可知，当输入/输出压差较小时，LDO可以达到较高的效率。因 此,在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选 用 LDO 稳压器。虽然电池的能量最后有

8、 10%不能使用， LDO 稳压器仍然能够保证电池较长的工作时间，同时噪音较低。此外， LDO 具有极高的信噪抑制比，非常适合用做对噪声敏 感的小信号处理电路供电。同时，由于没有开关时大的电流变 化所引发的电磁干扰，所以便于设计。很多手机、便携式设备 等对干扰敏感的设备很多都采用多路输出的LDO用作系统的 电源芯片。1.2 开关电源1.2.1 电容式开关电源电容式开关电源（即电荷泵）基本工作原理是利用电容的储能 的特性，通过可控开关（双极型二极管或者MOSFET等）进 行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容里，当开关断开 时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能 力与占空比（由

9、开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。 电容式开关电源可以用于升压和降压。其内部的 FET 开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和 放电，从而使输入电压以一定因数(0口5、2或3)倍增或降低, 从而得到所需要的输出电压。电荷泵的特点有： 转换效率与输入电压密切相关。电荷泵的近似效率计算公 式：其中：Vout为输出电压；Vin为输入电压；n为倍率。由式(3)可以看出，当输出电压和倍率一定时，输入越小，电 荷泵的效率越高。电荷泵效率一般可以达到 75%以上。 输出电压一般是输入电压的倍数，它能使输入电压升高或 降低，也可以用于产生负电压，常见的有0.5 倍压、 1 倍压、 1.5 倍压、 2

10、 倍压、 3 倍压。当然，一些新型的片子也支 持输出电压可调，如MAX1759,输入电压范围是1655 V, 输出可固定为33 V或在2口555V内可调，可提供最 大 100 mA 的输出电流。 输出电流较小，一般在 300 mA 以下。 设计简捷，占用印制板面积小，容易使用。 低 EMI 和输出纹波。 价格中等。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来 获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的 体积、重量，而且在减少能耗延长电池寿命等方面起到极大的 作用。在手机和其他的一些通信设备中，常用电荷泵来驱动白 光 LED 用作 LCD 背光电源。1.2.2 电感式开关电

11、源利用电感的储能的特性，通过可控开关进行高频开关的动 作，将输入的电能储存在电感里，当开关断开时，电能再 释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占 空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。电感式DC-DC的特点有: 功耗小，效率高。它通过使用低电阻开关和磁存储元 件，极大地降低了转换过程中的功率损失，其效率可高达 到 96% 。 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信 号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频 或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时， 它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压 范围很宽，稳压效果很好。 滤波的效率大为提高

12、，使滤波电容的容量和体积大为 减少。 电路形式灵活多样。有自激式和他激式，有调宽型(PWM)和调频型(PFM),有单端式和双端式等，设计者 可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场 合的开关稳压电源。 可以输出大电流，静态电流小。如 Linear Technology的LTC3417，其中的一路可以输出最大1口4 A的电流， 停机电流小于1 pAo 电感式开关电源存在较大的输出纹波和开关噪音。 需要的外围元件多，电路设计比较繁琐，特别是输出 可调的开关电源，需要计算分压电阻、电感、滤波电容的 取值。当然也有一些公司的开关稳压芯片外围电路非常简 单，只需要一个电感器、一个输入滤波电容、

13、一个输出滤 波电容即可，如TI的芯片。 成本相对较高。国外一些厂商的高效率 DC-DC 批量 的价格在 2 美元以上，零售价一般在 20 元左右。电感式 DC-DC 适用于输出电流较大、要求较高效率的电 池供电场合。2 各类芯片的优缺点比较表 1 是以上所述的 4 种电源芯片的比较。表1 4 种电源芯片的比较比玫内客普理线悝 稳压器LJX)电荷泵腊感式DCIX：BuckBoosriiuck-Bocist效率中中到耗高弋高?髓出.雀流中小低设凝度FS申 .离羞申缽元件不需要不需耍需姜范要小大夫犬诋低中 :局舉性K能升不能升无哉.4 种电源芯片的比较3 选择电源芯片需要遵循的原则 明确输入电压（或

14、范围）和输出电压，根据输入输出 的大小关系决定选择降压、升压或升降压芯片。如果是降 压，则可以选择线性稳压器、电容式DC-DC （即电荷泵） 或降压DC-DC （当然升/降压DC-DC也可以，考虑到性 价比没有必要这样选）；如果是升压或者升/降压，则只能 选择DC-DC转换器（电容式或者电感式升压DC-DC）。 如果是降压，考虑效率，需要计算输入与输出之间的 压差。若这个压差很小（远远小于1 V），则可以考虑选 择低压差线性稳压器（LDO）；若这个压差在1 V以上， 则可以考虑选择普通线性稳压器或者电感式降压 DC-DC。如果对效率没有要求，两种线性稳压器都可以的情况下，追求更低成本则可以选用

15、普通线性稳压器。 在线性稳压器和 DC-DC 稳压器都可以的情况下，若 把转换效率放在第一位，则可以选择DC-DC稳压器；若 对价格限制得很严格，并且要求较小的纹波和噪声，则可 以考虑选用线性稳压器。 在使用电池供电时，若要求较长的电池使用时间，需 要优先考虑效率，无论是升压、降压、升/降压都可以选 用 DC-DC 转换器。为获得较高的效率，此时需要参照 DC-DC 转换器芯片手册里边的效率随负载电流变化曲线，要根据负载电流选择合适的DC-DC转换器，确保稳 压器达到较高的效率。 为保证电池供电系统电源负荷变化较大应用的效率，最好 选择PFM/PWM自动切换控制式的DC-DC变换器。PWM 的

16、特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，PFM 具有静态功耗小，在低负荷时可改进稳压器的效率。当 系统在重负荷时由PWM控制，在低负荷时自动切换到PFM 控制，这样能够兼顾轻重负载的效率。在备有待机模式的系统 中，采用 PFM/PWM 切换控制的 DC-DC 稳压器能够得到较 高效率。这样的电源芯片有 TPS62110/62111/62112/62113、MAX1705/1706、NCP1523/1530 /1550 等。 不要“大牛拉小车”或“小牛拉大车 ”。选用电源芯片时为保 证电源的使用寿命，需要留有一定的裕量，较合适的工作电流 为电源芯片最大输出电流的7。9。如果用一个能输

17、出 大电流的稳压块来带动一个小电流的负载，虽然说驱动能力没 有问题，但是可能会带来两个问题，一方面成本会提高；另一 方面选用 DC-DC 转换器时效率可能会非常低，因为一般的 DC-DC 在输出电流非常小或者非常大的时候效率都比较低。 当使用线性稳压器（特别是普通线性稳压器）的时候，输出电 流要尽量留出较多的裕量，因为线性稳压器的压降都消耗在稳 压芯片上了，过大的负载电流会造成较为严重的发热，这一点 很容易从式1中看出。所以使用普通线性稳压器应该留有更大 的裕量。 对于电池供电的系统，静态电流和效率是需要重点关注的 参数，因为这直接关系到电池的使用寿命。静态电流是与负载 电流大小几乎无关的消耗

18、，越小越好。效率是能够转为有效利 用能量多少的量度，同样容量大小的电池，电源的效率越高， 静态电流越小，电池的使用时间就越长。 输出电流大时应采用降压式 DC-DC 变换器。便携式电子产品大部分工作电流在 300 mA 以下，并且大部分采用 AA 镍 镉、镍氢电池，若采用12节电池，升压到33 V或5 V并 要求输出 500 mA 以上电流时，电池寿命不长或两次充电间 隔时间太短，使用不便。这时采用降压式DC-DC变换器，其 效率与升压式差不多，但电池充电间隔时间要长得多。 需要负电源时尽量采用电荷泵。便携式仪器中往往需要负 电源，由于所需电流不大，采用电荷泵组成电压反转电路最为 简单，若要求

19、噪声小或要求输出稳压时，可采用带 LDO 线性 稳压器的电荷泵芯片。如MAX1720，可以输出50 mA的电 流，关断电流只有o4 pA，输出负压的绝对值小于输入电压, 在此范围内可以外加分压电阻进行调节。 MAX868 输出电流 为 30 mA， o.1 pA 关断电流， 3o pA 静态电流，具有可调的 输出范围（o2Vin），具有电源关断控制引脚和45。kHz的 开关频率。 特别要注意LDO和Buck （或StepDown）型的特性。DC-DC 只能降压（相对输入电压）输出，尽管有的芯片手册 中给出的输出范围很宽。芯片手册中标定的输出电压范围很多 都是针对芯片的输入电压范围的，即针对一个

20、较小的电压范 围，输出是达不到给定的输出的，只可能比输入电压低，不可 能超过输入电压的。 如 Linear Technology 的降压型的DC-DC转换器LTC3417，手册中在DESCRIPTION 一节给出 的是每一路输出为从085 V可调3，但根据降压转换器的 原理可知，输出与输入是密切相关的，并且只能比输入电压低。 如果输入为2口54口2 V,输出不可能会高于42 V,这一点 要特别注意。一样的情形也会在线性稳压器中出现，特别是输 出可调的线性稳压器,特别容易忽视的一点是,无论怎么可调, 输出肯定比输入低一个压差(Dropout Voltage),对于初学者 特别容易犯这样的错误，应

21、该引起高度重视。从电路设计的复杂程度来说，LDO的设计最简单，电荷泵次 之，电感式DC-DC最为复杂。一般来说，LDO (固定输出版 本)的设计只需要外接 2 个陶瓷电容器即可；电荷泵一般需 要 34 个电容；电感式 DC-DC 的设计需要计算电感值、分 压电阻值、输入输出电容的值等，需要的外围元器件最多，为 PCB 布局、走线、焊接、调试增加了难度。方便进行电源管理。为满足便携式系统节能的要求，在为便携 式系统选择电源芯片时注重选择具有关断控制管脚的芯片。这 里需要采取分区供电的方式，在不需要使用这些某些外设时， 方便把该部分外设的电源关掉，从而达到节能的目的。结语电源的设计优劣关乎系统设计的成败，对于电子系统的设计者 来说，应该引起足够重视。也许当你发现辛辛苦苦设计的系统 仅仅是由于电源问题而无法正常工作的时候，才会真正意识到 电源设计的重要作用。需要指出的是，电源的很多指标是不可 能同时兼顾的，往往需要在效率、噪声性能、纹波、成本等方 面进行折中考虑。此外，为简化计算，很多电源厂商的网站上 都有在线设计工具，输入相应的指标就可计算出相关元器件的 参数取值，这样可以提高设计效率。但是，这并不意味这样就 不需要仔细看芯片手册了，工具不是万能的，某些需要的电源 工作模式在工具设计中不一定可以体现出来，这就需要仔细研 读芯片手册，在读懂的基础上灵活应用。