小尺寸電源解決方案

摘要：電源設(shè)計(jì)在便攜及消費(fèi)應(yīng)用中變得越來越重要，嵌入式系統(tǒng)的普及離不開高效可靠電源解決方案，本文以實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，介紹了利用多通道穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的小巧可靠電源解決方案。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器；嵌入式系統(tǒng)；解決方案；ADI

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.002

電源管理在臺(tái)式計(jì)算機(jī)和電池供電嵌入式系統(tǒng)中極為常見，但在采用可靠主電源的嵌入式系統(tǒng)中，它通常又被忽略。然而，最終用戶和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已逐步意識(shí)到不受控制電源帶來的成本和其它方面的弊端。

幸運(yùn)的是，電源管理可以相對(duì)簡(jiǎn)單地集成到主電源供電的嵌入式系統(tǒng)中，而且從系統(tǒng)開發(fā)的角度而言，高效設(shè)計(jì)還可以減少散熱問題，從而帶來其他方面的益處。

首先，我們要了解處理器和電路板架構(gòu)的要求。基于微處理器和FPGA的現(xiàn)代系統(tǒng)需要越來越多的電壓軌，為系統(tǒng)中使用的內(nèi)核、接口、存儲(chǔ)器和精密模擬器件供電。

通常，當(dāng)前基于微處理器的系統(tǒng)使用分立開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓差穩(wěn)壓器(LDO)來提供電源；但是，隨著電路板面積縮小，這也使得設(shè)計(jì)任務(wù)變得復(fù)雜。將多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO集成于單個(gè)封裝中，可以實(shí)現(xiàn)小巧、靈活、高效的電源管理解決方案。

將多個(gè)器件集成到一個(gè)封裝中可以帶來四大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：尺寸減小、更出色的易用性、更高的可靠性、更低的噪聲。

物理尺寸至關(guān)重要

解決方案的尺寸對(duì)于空間非常寶貴的便攜式設(shè)計(jì)和嵌入式應(yīng)用至關(guān)重要，另外它對(duì)主電源供電的解決方案也同等重要。精簡(jiǎn)電源可以減少所需元件的尺寸和數(shù)量，從而降低制造成本。此外還可以減少對(duì)環(huán)境的影響，并降低運(yùn)輸成本。

借助將多個(gè)開關(guān)降壓穩(wěn)壓器、LDO、電源監(jiān)控器和看門狗功能集成到單芯片解決方案的最新創(chuàng)新技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以大幅縮小多軌電源解決方案的PCB面積。ADI公司的ADP5034就是一個(gè)很好的例子：它是一款集成兩個(gè)300mA LDO的雙通道1.2A降壓穩(wěn)壓器，采用24引腳LFCSP封裝（見圖1）。

集成度越高，就允許使用數(shù)量更少、體積更小的外部元件。集成開關(guān)穩(wěn)壓器在3MHz頻率下工作，允許使用非常小的片式電感，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器均使能并運(yùn)行在PWM模式下時(shí)，它們配置為反相運(yùn)行方式。這樣可以減小所需輸入電容的尺寸和成本。

將基于單芯片多路輸出穩(wěn)壓器的電源解決方案布局與圖2中的分立方法比較，結(jié)果表明，分立解決方案需要在97 mm²的電路板空間上放置22個(gè)元件，而集成解決方案只需在72 mm²面積內(nèi)放置19個(gè)元件。

集成解決方案

隨著設(shè)計(jì)周期的不斷壓縮，器件制造商要求電源解決方案不僅易于設(shè)計(jì)，而且還能在今后使用中可以易于修改。這使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)無需具備相關(guān)復(fù)雜深?yuàn)W的電源知識(shí)和豐富經(jīng)驗(yàn)，即可完成設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠加快開發(fā)過程，滿足更加緊湊的產(chǎn)品發(fā)布日程。

具有專用使能引腳的集成穩(wěn)壓器讓電源設(shè)計(jì)人員能夠使能或禁用硬件中的每個(gè)穩(wěn)壓器，而不需要軟件參與，同時(shí)能夠輕松控制供電軌的時(shí)序。能夠使用外部電阻分壓器來設(shè)置各個(gè)穩(wěn)壓器輸出是另一項(xiàng)創(chuàng)新，讓設(shè)計(jì)人員能夠在原型開發(fā)期間更改輸出電壓。因此，可以更加輕松地實(shí)施需要不同輸出電壓組合的新設(shè)計(jì)。

多通道穩(wěn)壓器（如圖2所示的微型PMU）內(nèi)置針對(duì)各種I/O電壓和輸出電容的補(bǔ)償功能，此外還集成軟啟動(dòng)和保護(hù)電路。所有這些特性都可以縮短設(shè)計(jì)和故障排除時(shí)間。

器件制造商正著手簡(jiǎn)化電路板布局和器件貼放，引腳排列都考慮到讓無源組件盡可能靠近各穩(wěn)壓器放置。即便工程師對(duì)電源電路設(shè)計(jì)不甚熟悉或完全不了解，也不必再害怕使用復(fù)

圖2 多通道穩(wěn)壓器體積更小，而且更加易于使用

雜的多路輸出穩(wěn)壓器，屆時(shí)只需遵循制造商的電路板布局和元件選型指南即可。

系統(tǒng)可靠性更高

與分立解決方案相比，使用多通道穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)改進(jìn)了出現(xiàn)早期故障時(shí)的可靠性，因?yàn)樵赑CB上需要放置和檢查的元件較少。產(chǎn)品生命周期后期可能出現(xiàn)故障的器件和電路連接也比較少。此外，通過將電源監(jiān)控器、看門狗定時(shí)器和多個(gè)穩(wěn)壓器集成到單芯片解決方案中，還改進(jìn)了系統(tǒng)級(jí)可靠性和壽命。

有些多路輸出穩(wěn)壓器通過集成用于監(jiān)控I/O電壓軌的高精度上電復(fù)位電路，進(jìn)一步增強(qiáng)了可靠性。在基于微處理器的典型系統(tǒng)中，上電復(fù)位電路用來確保內(nèi)核電壓軌處于正確的電平，然后才會(huì)讓處理器離開復(fù)位狀態(tài)。監(jiān)控這些供電軌有助于確保最終產(chǎn)品更加可靠。

隨著新型微處理器和FPGA的內(nèi)核電壓軌越來越低，高精度上電復(fù)位電路變得更加重要。例如，ADP5041提供外部電阻可編程的上電復(fù)位，整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度為±1.5%，從而能夠精準(zhǔn)地監(jiān)控最新一代微處理器、ASIC和FPGA的低壓內(nèi)核供電軌。這款器件還集成看門狗定時(shí)器，可以監(jiān)控微處理器代碼執(zhí)行活動(dòng)，保證處理器安全可靠地工作。

為提高電表等遠(yuǎn)程系統(tǒng)的可靠性和正常工作時(shí)間，該穩(wěn)壓器集成了另一個(gè)看門狗電路。如果系統(tǒng)不能正常工作或正確響應(yīng)，這樣可以讓遠(yuǎn)程系統(tǒng)能夠自動(dòng)“周期供電”。

低噪聲解決方案

電磁噪聲仍然在困擾著基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，并且隨著設(shè)計(jì)變得日益復(fù)雜，這一問題還在惡化。電源通常是這類不良噪聲的來源。

通過小心地排列器件引腳，可以減小電磁噪聲的影響。讓外部無源元件盡可能靠近各穩(wěn)壓器，可以最大程度地減小電路板寄生效應(yīng)和噪聲。

另一個(gè)電源噪聲源是在突發(fā)模式下的穩(wěn)壓器。強(qiáng)制PWM開關(guān)穩(wěn)壓器工作在恒定PWM模式下可以消除這一問題。多通道穩(wěn)壓器上提供專用 MODE引腳，因此允許通過微處理器I/O端口進(jìn)行控制，當(dāng)受電電路對(duì)寬帶噪聲敏感時(shí)，這一特性非常有用。

為了進(jìn)一步減少噪聲，新的集成功率器件通過在集成LDO上提供低輸入電壓范圍進(jìn)行了優(yōu)化。這使它們能夠?qū)⑵渲幸粋€(gè)降壓穩(wěn)壓器與LDO相結(jié)合，從而提供高效率的低噪聲輸出。例如，集成到ADI公司μPMU中的LDO采用1.7V至5.5V的輸入范圍。降壓穩(wěn)壓器可以用作前置穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)5V輸入到1.8V輸出的高效率壓降，然后將此1.8V電壓施加于LDO的輸入端，以提供低噪聲的1.2V輸出，從而為敏感的模擬電路供電。

集成LDO具有高電源抑制比（即便Vin-Vout裕量較低）和低固有噪聲。此外，穩(wěn)壓器之間的串?dāng)_也被降至最小。為噪聲敏感型電路供電時(shí)，所有這些特性都很重要。

同時(shí)，ADP5034采用了相移技術(shù)；集成降壓穩(wěn)壓器180°反相工作，從而減少了對(duì)輸入濾波的需求，并允許使用更小的輸入電容。