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)計的好壞直接決定了系統(tǒng)設(shè)計的成敗。出現(xiàn)電源設(shè)計問題的原因一方面是由于設(shè)計者硬件設(shè)計經(jīng)驗不足;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

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。當輸出電壓Uo降低時,基準電壓與取樣

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,當然這個壓差是隨工作溫度和輸出電流大小而變化的,不是一個固定值,在選用普通線性穩(wěn)壓器的時候必須滿足輸入/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。這一點是設(shè)計時需要特別注意的。

普通線性穩(wěn)壓器的特點如下:

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格要求的場合,如充電器、實驗儀器等。

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,實際的線性穩(wěn)壓器還應(yīng)當具有許多其他的功能,比如負載短路保護、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、反接保護等,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,當輸入/輸出壓差較小時,LDO可以達到較高的效率。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間,同時噪音較低。

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,由于沒有開關(guān)時大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾,所以便于設(shè)計。很多手機、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MOSFET等)進行高頻開關(guān)的動作,將輸入的電能儲存在電容里,當開關(guān)斷開時,電能再釋放給負載,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)通時間與整個開關(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,當輸出電壓和倍率一定時,輸入越小,電荷泵的效率越高。電荷泵效率一般可以達到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)生負電壓,常見的有±0.5倍壓、±1倍壓、±1.5倍壓、±2倍壓、±3倍壓。當然,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)進行高頻開關(guān)的動作,將輸入的電能儲存在電感里,當開關(guān)斷開時,電能再釋放給負載,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)通時間與整個開關(guān)的周期的比值)有關(guān)。

電感式DC—DC的特點有:

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)寬來進行補償,這樣,在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時,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)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長,設(shè)計出能滿足不同應(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)計比較繁瑣,特別是輸出可調(diào)的開關(guān)電源,需要計算分壓電阻、電感、濾波電容的取值。當然也有一些公司的開關(guān)穩(wěn)壓芯片外圍電路非常簡單,只需要一個電感器、一個輸入濾波電容、一個輸出濾波電容即可,如TI的芯片。

⑧成本相對較高。國外一些廠商的高效率DC—DC批量的價格在2美元以上,零售價一般在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(當然升/降壓DC—DC也可以,考慮到性價比沒有必要這樣選);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,需要計算輸入與輸出之間的壓差。若這個壓差很小(遠遠小于1 V),則可以考慮選擇低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO);若這個壓差在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;若對價格限制得很嚴格,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,若要求較長的電池使用時間,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,此時需要參照DC—DC轉(zhuǎn)換器芯片手冊里邊的效率隨負載電流變化曲線,要根據(jù)負載電流選擇合適的DC—DC轉(zhuǎn)換器,確保穩(wěn)壓器達到較高的效率。

⑤為保證電池供電系統(tǒng)電源負荷變化較大應(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的特點是噪音低、滿負載時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,在低負荷時可改進穩(wěn)壓器的效率。當系統(tǒng)在重負荷時由PWM控制,在低負荷時自動切換到PFM控制,這樣能夠兼顧輕重負載的效率。在備有待機模式的系統(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%。如果用一個能輸出大電流的穩(wěn)壓塊來帶動一個小電流的負載,雖然說驅(qū)動能力沒有問題,但是可能會帶來兩個問題,一方面成本會提高;另一方面選用DC—DC轉(zhuǎn)換器時效率可能會非常低,因為一般的DC—DC在輸出電流非常小或者非常大的時候效率都比較低。當使用線性穩(wěn)壓器(特別是普通線性穩(wěn)壓器)的時候,輸出電流要盡量留出較多的裕量,因為線性穩(wěn)壓器的壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上了,過大的負載電流會造成較為嚴重的發(fā)熱,這一點很容易從式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對于電池供電的系統(tǒng),靜態(tài)電流和效率是需要重點關(guān)注的參數(shù),因為這直接關(guān)系到電池的使用壽命。靜態(tài)電流是與負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,電池的使用時間就越長。

⑧輸出電流大時應(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,電池壽命不長或兩次充電間隔時間太短,使用不便。這時采用降壓式DC—DC變換器,其效率與升壓式差不多,但電池充電間隔時間要長得多。

⑨需要負電源時盡量采用電荷泵。便攜式儀器中往往需要負電源,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,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,即針對一個較小的電壓范圍,輸出是達不到給定的輸出的,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是,無論怎么可調(diào),輸出肯定比輸入低一個壓差(D ropout 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。

[11]從電路設(shè)計的復(fù)雜程度來說,LDO的設(shè)計最簡單,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)計只需要外接2個陶瓷電容器即可;電荷泵一般需要3～4個電容;電感式DC—DC的設(shè)計需要計算電感值、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,方便把該部分外設(shè)的電源關(guān)掉,從而達到節(jié)能的目的。

結(jié) 語

電源的設(shè)計優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計的成敗,對于電子系統(tǒng)的設(shè)計者來說,應(yīng)該引起足夠重視。也許當你發(fā)現(xiàn)辛辛苦苦設(shè)計的系統(tǒng)僅僅是由于電源問題而無法正常工作的時候,才會真正意識到電源設(shè)計的重要作用。需要指出的是,電源的很多指標是不可能同時兼顧的,往往需要在效率、噪聲性能、紋波、成本等方面進行折中考慮。此外,為簡化計算,很多電源廠商的網(wǎng)站上都有在線設(shè)計工具,輸入相應(yīng)的指標就可計算出相關(guān)元器件的參數(shù)取值,這樣可以提高設(shè)計效率。但是,這并不意味這樣就不需要仔細看芯片手冊了,工具不是萬能的,某些需要的電源工作模式在工具設(shè)計中不一定可以體現(xiàn)出來,這就需要仔細研讀芯片手冊,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.基于單片機的嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計[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便攜式消費電子產(chǎn)品專題研討會,上海,2006-03-22[C/OL].[2010-05-03].http://diagram.eepw.com.cn/diagram/circuit/cid/234/cirid/20540.