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嵌入式系统电源芯片选型与应用

导读: 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。

  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。

 

  1.1线性稳压器

 

  在保证输出稳定的前提下,输入电压高出预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1~3 V;而低压差线性稳压器采用的管子一般是场效应管,导通电阻在几十~几百mΩ,所以输入输出压降在1 V以下,做得比较小的可以达到01 V以下,如美国半导体公司的LP3999和LP3985,最小压差均为0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;Iout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:Vin、Vout、Iout、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,可以采用Vout/Vin来估算效率。

  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1~3 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LM7805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:

  ① 调整管功耗较大,电源效率低,一般只有45%左右。

  ② 体积大,需要占用较大的板子空间。

  ③ 发热严重,要求较高的场合需要安装散热器。

  ④ 静态电流较大,一般在mA级。

  ⑤ 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3 V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(双极型三极管或者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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:

  ① 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。

  ② 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1.6~5.5 V,输出可固定为33 V或在25~55 V内可调,可提供最大100 mA的输出电流。

  ② 输出电流较小,一般在300 mA以下。

  ③ 设计简捷,占用印制板面积小,容易使用。

  ④ 低EMI和输出纹波。

  ⑤ 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。

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