嵌入式系統電源芯片選型與應用

摘要: 對嵌入式系統可使用的4類電源芯片--普通線性穩壓器、低壓差線性穩壓器、電容式DC-DC轉換器(即電荷泵）、電感式DC-DC轉換器--進行了原理介紹和特點分析，提出了電源芯片選型的原則，最后給出了一個電源設計實例。

電源是嵌入式系統中不可缺少的重要組成部分，電源設計的好壞直接決定了系統設計的成敗。出現電源設計問題的原因一方面是由于設計者硬件設計經驗不足；另一方面是集成穩壓芯片品種繁多、手冊說明不規范（特別是DC-DC轉換器）。電源設計過程中，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的電源來說，還要有電源管理的考慮。

1 電源技術概述

按照調整管的工作狀態來分，直流穩壓電源可以分為兩大類：一類是線性穩壓電源；另一類是開關穩壓電源[1]。調整管工作在線性狀態的稱為線性穩壓器；調整管工作在開關狀態的稱為開關型穩壓器。線性穩壓電源可以細分為兩種，一種是普通線性穩壓器；另一種是低壓差線性穩壓器（Low DropOut regulator，LDO）。開關電源穩壓器也可以細分為兩種，一種是電容式DC-DC轉換器，即常說的電荷泵；另一種是電感式DC-DC轉換器，即通常所說的DC-DC轉換器

1.1 線性穩壓器

在保證輸出穩定的前提下，輸入電壓高出預設輸出電壓的電壓值叫輸入/輸出電壓差。這個參數不僅與穩壓器采用的調整管有關，而且與管子的工作狀態有關。普通線性穩壓器采用的調整管一般是雙極型晶體管，管子工作在線性狀態，輸入輸出電壓差一般在1～3 V；而低壓差線性穩壓器采用的管子一般是場效應管，導通電阻在幾十~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，如美國半導體公司的LP3999和LP3985，最小壓差均為0?06 V。

根據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鍵因素。LDO的工作效率一般在60%～75%之間，靜態電流小的效率會好一些。在忽略LDO靜態電流的情況下，可以采用Vout/Vin來估算效率。

普通線性穩壓器的原理圖如圖1所示，取樣電壓加在比較器U1的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uref相比較，兩者的差值經放大器U1 放大后，控制串聯調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。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動電流增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高；若輸出電壓Uo超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。

在圖1中，根據KVL定律可知，UO=Ui-Vce，Vce為管子集電極到發射極的壓降，對于普通線性穩壓器，這個壓降一般為1～3 V，LM7805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，在選用普通線性穩壓器的時候必須滿足輸入/輸出最小壓差的要求，否則穩壓芯片不能正常工作。如LM7805的輸入電壓范圍是5～18 V，預想輸出5 V電壓，輸入電壓必須比預期輸出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。這一點是設計時需要特別注意的。

普通線性穩壓器的特點如下：

① 調整管功耗較大，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 發熱嚴重，要求較高的場合需要安裝散熱器。

④ 靜態電流較大，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。

普通線性穩壓器價格低，靜態電流大，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。