嵌入式系統電源芯片選型與應用※

孟海斌,張紅雨

(電子科技大學電子工程學院,成都611731)

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。

線性集成穩壓器的總功率耗散PD的計算公式如下:

其中:Vin為穩壓器輸入電壓;Vout為穩壓器輸出電壓;Iout為穩壓器輸出電流;Iq為穩壓器靜態電流。

線性穩壓器的效率定義為:

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。

1.1.1 普通線性穩壓器

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,兩者的差值經放大器U 1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,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LM 7805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。

1.1.2 低壓差線性穩壓器

低壓差線性穩壓器的工作原理與普通線性穩壓器的原理完全一樣,都是通過控制調整管上的壓降變化來穩定輸出電壓。二者的差異在于采用的調整管結構的不同,從而使LDO比普通線性穩壓器壓差更小,功耗更低。

需要說明的是,實際的線性穩壓器還應當具有許多其他的功能,比如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等,很多芯片的調整管采用MOSFET。

圖1 線性穩壓器原理圖

當用在降壓并且輸入/輸出電壓很接近的場合,選用LDO穩壓器是一種不錯的選擇,根據上文線性穩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換為3 V輸出電壓的應用中大多選用LDO穩壓器。雖然電池的能量最后有10%不能使用,LDO穩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,由于沒有開關時大的電流變化所引發的電磁干擾,所以便于設計。很多手機、便攜式設備等對干擾敏感的設備很多都采用多路輸出的LDO用作系統的電源芯片。

1.2 開關電源

1.2.1 電容式開關電源

電容式開關電源(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(雙極型三極管或者MOSFET等)進行高頻開關的動作,將輸入的電能儲存在電容里,當開關斷開時,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(由開關導通時間與整個開關的周期的比值)有關。電容式開關電源可以用于升壓和降壓。

其內部的FET開關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(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轉換效率與輸入電壓密切相關。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,它能使輸入電壓升高或降低,也可以用于產生負電壓,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,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內可調,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量、減少產品的體積、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備中,常用電荷泵來驅動白光LED用作LCD背光電源。

1.2.2 電感式開關電源

利用電感的儲能的特性,通過可控開關進行高頻開關的動作,將輸入的電能儲存在電感里,當開關斷開時,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(由開關導通時間與整個開關的周期的比值)有關。

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和磁存儲元件,極大地降低了轉換過程中的功率損失,其效率可高達到96%。

②穩壓范圍寬。從開關穩壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的,輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償,這樣,在工頻電網電壓變化較大時,它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開關電源的穩壓范圍很寬,穩壓效果很好。

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,有調寬型(PWM)和調頻型(PFM),有單端式和雙端式等,設計者可以發揮各種類型電路的特長,設計出能滿足不同應用場合的開關穩壓電源。

⑤可以輸出大電流,靜態電流小。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電感式開關電源存在較大的輸出紋波和開關噪音。

⑦需要的外圍元件多,電路設計比較繁瑣,特別是輸出可調的開關電源,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穩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,根據輸入輸出的大小關系決定選擇降壓、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壓器。

③在線性穩壓器和DC—DC穩壓器都可以的情況下,若把轉換效率放在第一位,則可以選擇DC—DC穩壓器;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,需要優先考慮效率,無論是升壓、降壓、升/降壓都可以選用DC—DC轉換器。為獲得較高的效率,此時需要參照DC—DC轉換器芯片手冊里邊的效率隨負載電流變化曲線,要根據負載電流選擇合適的DC—DC轉換器,確保穩壓器達到較高的效率。

⑤為保證電池供電系統電源負荷變化較大應用的效率,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導電模式,PFM具有靜態功耗小,在低負荷時可改進穩壓器的效率。當系統在重負荷時由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中,采用PFM/PWM切換控制的DC—DC穩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壓塊來帶動一個小電流的負載,雖然說驅動能力沒有問題,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。當使用線性穩壓器(特別是普通線性穩壓器)的時候,輸出電流要盡量留出較多的裕量,因為線性穩壓器的壓降都消耗在穩壓芯片上了,過大的負載電流會造成較為嚴重的發熱,這一點很容易從式1中看出。所以使用普通線性穩壓器應該留有更大的裕量。

表1 4種電源芯片的比較

⑦對于電池供電的系統,靜態電流和效率是需要重點關注的參數,因為這直接關系到電池的使用壽命。靜態電流是與負載電流大小幾乎無關的消耗,越小越好。效率是能夠轉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,靜態電流越小,電池的使用時間就越長。

⑧輸出電流大時應采用降壓式DC—DC變換器。便攜式電子產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電路最為簡單,若要求噪聲小或要求輸出穩壓時,可采用帶LDO線性穩壓器的電荷泵芯片。如MAX1720,可以輸出50mA的電流,關斷電流只有0.4μA,輸出負壓的絕對值小于輸入電壓,在此范圍內可以外加分壓電阻進行調節。MAX868輸出電流為30 m A,0.1μA關斷電流,30μA靜態電流,具有可調的輸出范圍(0～2Vin),具有電源關斷控制引腳和450 kHz的開關頻率。

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轉換器LTC3417,手冊中在DESCRIPTION一節給出的是每一路輸出為從0.8～5 V可調[3],但根據降壓轉換器的原理可知,輸出與輸入是密切相關的,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壓器中出現,特別是輸出可調的線性穩壓器,特別容易忽視的一點是,無論怎么可調,輸出肯定比輸入低一個壓差(D ropout Voltage),對于初學者特別容易犯這樣的錯誤,應該引起高度重視。

[11]從電路設計的復雜程度來說,LDO的設計最簡單,電荷泵次之,電感式DC—DC最為復雜。一般來說,LDO(固定輸出版本)的設計只需要外接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、調試增加了難度。

[12]方便進行電源管理。為滿足便攜式系統節能的要求,在為便攜式系統選擇電源芯片時注重選擇具有關斷控制管腳的芯片。這里需要采取分區供電的方式,在不需要使用這些某些外設時,方便把該部分外設的電源關掉,從而達到節能的目的。

結 語

電源的設計優劣關乎系統設計的成敗,對于電子系統的設計者來說,應該引起足夠重視。也許當你發現辛辛苦苦設計的系統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,很多電源廠商的網站上都有在線設計工具,輸入相應的指標就可計算出相關元器件的參數取值,這樣可以提高設計效率。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計中不一定可以體現出來,這就需要仔細研讀芯片手冊,在讀懂的基礎上靈活應用。

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

[1]竇振中.基于單片機的嵌入式系統工程設計[M].北京:中國電力出版社,2008:241-247.

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