澳门·威斯尼斯网站：嵌入式系统电源芯片选型与应用

本文摘要：电源是嵌入式系统中不可缺少的最重要组成部分，电源设计的优劣必要要求了系统设计的胜败。

电源是嵌入式系统中不可缺少的最重要组成部分，电源设计的优劣必要要求了系统设计的胜败。经常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；另一方面是构建稳压芯片品种繁多、手册解释不规范（尤其是DC-DC转换器）。电源设计过程中，除了有电压和电流基本拒绝之外，还必须对效率、噪声、纹波、体积、抗干扰等性能指标具有一定的约束。

此外，对于使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到。　　1电源技术阐述　　按照调整管的工作状态来分，直流稳压电源可以分成两大类：一类是线性稳压电源；另一类是电源稳压电源［1］。调整管工作在线性状态的称作线性稳压器；调整管工作在电源状态的称作电源型稳压器。

线性稳压电源可以细分为两种，一种是普通线性稳压器；另一种是高压劣线性稳压器（LowDropOutregulator，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，即常说道的电荷泵；另一种是电感式DC-DC转换器，即一般来说所说的DC-DC转换器。

　　1.1线性稳压器　　在确保输入平稳的前提下，输出电压高达预设输入电压的电压值叫输出/输入电压劣。这个参数不仅与稳压器使用的调整管有关，而且与管子的工作状态有关。普通线性稳压器使用的调整管一般是双极型晶体管，管子工作在线性状态，输入输出电压劣一般在1～3V；而高压劣线性稳压器使用的管子一般是场效应管，导通电阻在几十~几百m，所以输入输出压降在1V以下，做到得较为小的可以超过01V以下，如美国半导体公司的LP3999和LP3985，大于压差皆为006V。

　　线性构建稳压器的总功率力学系统PD的计算公式如下：　　　　其中：Vin为稳压器输出电压；Vout为稳压器输入电压；Iout为稳压器输入电流；Iq为稳压器静态电流。　　线性稳压器的效率定义为：　　　　其中：Vin、Vout、Iout、Iq的含义同式1；Pout为输出功率；Pin为输出功率；Iin为输出电流。　　根据以上对力学系统功率和效率的分析，为了提高效率，必需使输出/输入压差和静态电流尽量小。如果不考虑到阻抗的话，输出/输入压差是要求效率的关键因素。

LDO的工作效率一般在60%～75%之间，静态电流小的效率不会好一些。在忽视LDO静态电流的情况下，可以使用Vout/Vin来估计效率。　　1.1.1普通线性稳压器　　　　图1线性稳压器原理图　　普通线性稳压器的原理图如图1右图，采样电压特在较为器U1的同互为输出末端，与加于转换器输出端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器U1缩放后，掌控串联调整管的压降，从而平稳输入电压。

当输入电压Uo减少时，基准电压与采样电压的差值减少，较为放大器输入的驱动电流减少，串联调整管压降增大，从而使输入电压增高；若输入电压Uo多达所必须的设定值，较为放大器输入的前驱动电流增大，从而使输入电压减少。　　在图1中，根据KVL定律由此可知，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1～3V，LM7805的输出/输入压差一般在2V以上，当然这个压差是随工作温度和输入电流大小而变化的，不是一个固定值，在搭配普通线性稳压器的时候必需符合输出/输入大于压差的拒绝，否则稳压芯片无法长时间工作。

如LM7805的输出电压范围是5～18V，预期输入5V电压，输出电压必需比预期输入5V高达2V，即输出电压必需在7V以上才能确保芯片长时间工作。这一点是设计时必须特别注意的。　　普通线性稳压器的特点如下：　　①调整管功耗较小，电源效率较低，一般只有45%左右。

　　②体积大，必须闲置较小的板子空间。　　③痉挛相当严重，拒绝较高的场合必须加装散热器。　　④静态电流较小，一般在mA级。

　　⑤必须外接容量较小的低频滤波电容，减小了电源的体积。　　普通线性稳压器价格低，静态电流大，效率较低，大于输出/输入电压劣较小，不能用作升压且对电源效率和体积没严格要求的场合，如充电器、实验仪器等。　　1.1.2高压劣线性稳压器　　高压劣线性稳压器的工作原理与普通线性稳压器的原理几乎一样，都是通过掌控调整管上的压降变化来平稳输入电压。

二者的差异在于使用的调整管结构的有所不同，从而使LDO比普通线性稳压器压差更加小，功耗更加较低。　　必须解释的是，实际的线性稳压器还应该具备许多其他的功能，比如阻抗短路维护、过压变频器、短路变频器、反接维护等，很多芯片的调整管使用MOSFET。　　都只在升压并且输出/输入电压很相似的场合，搭配LDO稳压器是一种不俗的自由选择，根据上文线性稳压器效率的分析由此可知，当输出/输入压差较小时，LDO可以超过较高的效率。

因此，在把锂离子电池电压切换为3V输入电压的应用于中大多搭配LDO稳压器。虽然电池的能量最后有10%无法用于，LDO稳压器依然需要确保电池较长的工作时间，同时噪音较低。

　　此外，LDO具备极高的信噪诱导比，非常适合用于对噪声脆弱的小信号处理电路供电。同时，由于没电源时大的电流变化所引起的电磁干扰，所以便于设计。

很多手机、便携式设备等对阻碍脆弱的设备很多都使用多路输入的LDO用于系统的电源芯片。　　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，通过高效率电源（双极型三极管或者MOSFET等）展开高频电源的动作，将输出的电能储存在电容里，当电源插入时，电能再行获释给阻抗，获取能量。

其输入的功率或电压的能力与频率（由电源导通时间与整个电源的周期的比值）有关。电容式开关电源可以用作降压和升压。

　　其内部的FET电源阵列以一定方式掌控较慢电容器的电池和静电，从而使输出电压以一定因数（05、2或3）大幅提高或减少，从而获得所必须的输入电压。　　电荷泵的特点有：　　①切换效率与输出电压密切相关。

电荷泵的近似于效率计算公式：　　　　其中：Vout为输入电压；Vin为输出电压；n为倍率。　　由式（3）可以显现出，当输入电压和倍率一定时，输出就越小，电荷泵的效率越高。电荷泵效率一般可以超过75%以上。

　　②输入电压一般是输出电压的倍数，它能使输出电压增高或减少，也可以用作产生胜电压，少见的有0.5倍压、1倍压、1.5倍压、2倍压、3倍压。当然，一些新型的片子也反对输入电压可调，如MAX1759，输出电压范围是1.6～5.5V，输入可相同为33V或在25～55V内固定式，可获取仅次于100mA的输入电流。　　②输入电流较小，一般在300mA以下。

　　③设计简捷，闲置印制板面积小，更容易用于。　　④较低EMI和输入纹波。

　　⑤价格中等。　　对使用电池供电的便携式电子产品来说，使用电荷泵变换器来取得胜电源或倍压电源，某种程度增加电池的数量、增加产品的体积、重量，而且在增加能耗缩短电池寿命等方面起着很大的起到。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用于LCD背光电源。

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