孟海斌,張紅雨

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,成都611731)

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(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。

1.1.1 普通線性穩(wěn)壓器

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U 1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U 1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,LM 7805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LM 7805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(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。

圖1 線性穩(wěn)壓器原理圖

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(cuò)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(duì)噪聲敏感的小信號(hào)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(duì)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(chǔ)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(dòng)作,將輸入的電能儲(chǔ)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100m A的輸出電流。

②輸出電流較小,一般在300m A以下。

③設(shè)計(jì)簡捷,占用印制板面積小,容易使用。

④低EM I和輸出紋波。

⑤價(jià)格中等。

對(duì)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(dòng)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(chǔ)能的特性,通過可控開關(guān)進(jìn)行高頻開關(guān)的動(dòng)作,將輸入的電能儲(chǔ)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(chǔ)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(lì)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)的,輸入信號(hào)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1μA。

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(duì)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[2]。

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)壓差很小(遠(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(duì)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(duì)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)一個(gè)小電流的負(fù)載,雖然說驅(qū)動(dòng)能力沒有問題,但是可能會(huì)帶來兩個(gè)問題,一方面成本會(huì)提高;另一方面選用DC—DC轉(zhuǎn)換器時(shí)效率可能會(huì)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(huì)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。

表1 4種電源芯片的比較

⑦對(duì)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300m A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500m A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50mA的電流,關(guān)斷電流只有0.4μA,輸出負(fù)壓的絕對(duì)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 m A,0.1μA關(guān)斷電流,30μA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Step-Down)型的特性。DC—DC只能降壓(相對(duì)輸入電壓)輸出,盡管有的芯片手冊(cè)中給出的輸出范圍很寬。芯片手冊(cè)中標(biāo)定的輸出電壓范圍很多都是針對(duì)芯片的輸入電壓范圍的,即針對(duì)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(cè)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(huì)高于4.2 V,這一點(diǎn)要特別注意。一樣的情形也會(huì)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(D ropout Voltage),對(duì)于初學(xué)者特別容易犯這樣的錯(cuò)誤,應(yīng)該引起高度重視。

[11]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。

[12]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(duì)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(huì)真正意識(shí)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(cè)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(cè),在讀懂的基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站:www.mesnet.com.cn。

[1]竇振中.基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)[M].北京:中國電力出版社,2008:241-247.

[2]顏重光.便攜產(chǎn)品電源芯片的應(yīng)用技術(shù)思考:2006便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品專題研討會(huì),上海,2006-03-22[C/OL].[2010-05-03].http://diagram.eepw.com.cn/diagram/circuit/cid/234/cirid/20540.