MSP430混合電壓和邏輯系統的設計

1. 引言

近年來，半導體制造工藝的不斷進步和發展，為便攜式電子產品的廣泛應用提供了動力和保證。便攜式設備要求使用體積小、功耗低、電池耗電小的器件。因低電壓器件的成本比傳統5V器件更低、功耗更小、性能更優，加上多數器件的I/O腳可以兼容5V/3.3V TTL電平，可以直接使用在原有系統中，所以各大半導體公司都將3.3V、2.5V等低電壓集成電路作為推廣重點。但是，目前市場上仍有許多5V電源的邏輯器件和數字器件，因此在許多設計中3.3V（含3V）邏輯系統和5V邏輯系統共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標準的引進，不同電源電壓和不同邏輯電平器件間的接口問題將在很長一段時間內存在。美國TI（Texas Instruments）公司推出的混合信號微控制器MSP430系列，正是這樣款低電壓（1.8V ~ 3.6V）、低功耗、高性能的芯片系列。并且它還自帶1到2個串行通信口，因此在使用它的過程中就不可避免的要碰到不同電壓、電平的接口問題。

2. 電源問題

MSP430系列的典型工作電壓是3.3V，而目前一個系統中的主電源電壓常常是5V。因此在一個混合系統中首先要解決5V到3.3V的電壓轉換問題。通?？梢圆捎靡韵聨追N辦法：

2.1 采用低壓差線形穩壓芯片（LDO）

線形穩壓芯片是一種最簡單的電源轉換芯片，基本上不要外圍元件。 但是傳統的線形穩壓器，如78xx系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高2V ~ 3V以上，否則不能正常工作，所以78xx系列已經不能夠滿足3.3V電源設計要求。面對低電壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線形穩壓器 LDO（Low Dropout Regulator）。這種電源芯片的壓差只有1.3V ~ 0.2V，可以實現5V轉3.3V/2.5V，3.3V轉2.5V/1.8V等要求。生產LDO的公司很多，常見的有：ALPHA、 LT(Linear Technology)、 NI (National semiconductor)、TI等。圖1為利用 LT1086-3.3完成5V轉3.3V/1.5A 的應用電路，圖中的電容要采用鉭電容。有一些LDO芯片還自帶有電源管理功能，可以工作在節電模式。

2.2 自己設計開關電源

開關電源也是實現電源轉換的一種方法，而且效率很高，但設計要比使用線形穩壓器復雜得多。不過對于大電流高功率的設計，建議采用開關電源。例如一個5V轉3.3V/5A輸出的電路，如用線形穩壓器，則穩壓器功耗為：(5-3.3)×5 = 8.5w，功耗太大，而且必須要加很大的散熱片。如采用開關電源，例如LT1530，則效率可以達到85% - 90%，功耗只有2w左右。生產這類芯片的公司也很多，如：MAXIM、LT、NI等。

2.3 直接采用電源模塊

考慮到開關電源設計的復雜性，一些公司推出了基于開關電源技術的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊可以實現電源隔離。用戶只需要加很少的外圍元件即可使用。電源模塊使用方便，但是價格昂貴。常見生產電源模塊的公司有：Agere（原來朗訊的微電子部）、Ericsson、Vicor等。國內也有很多公司，如上海衡孚等。

2.4 利用電阻分壓

2.5 四種電源解決方案比較：

到底應該采取何種電源設計方案，取決于我們設計的具體要求。通常小功率或對電源效率要求較低的時候，可以采用LDO。如對效率有較高要求，或電源功率較大，則應該使用開關電源模塊或自己設計開關電源。最終是采用電源模塊或自己設計開關電源，則取決于成本要求和設計能力。以上幾種方法各有所長，各有不足。表1給出了詳細的比較情況。MSP430的特點之一是低功耗，因此如果要利用它的這個特點就不能采用電阻分壓法。