嵌入式系统电源芯片选型与应用

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yuchengze发表于 2017-5-25 19:58 | 只看该作者

嵌入式系统电源芯片选型与应用

转换器, 嵌入式, 电源, 电池, 品种

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

out为输出功率

in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

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