孟海斌,张红雨

(电子科技大学电子工程学院,成都611731)

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;Pout为输出功率;Pin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

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U 1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U 1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,LM 7805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LM 7805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。

图1 线性稳压器原理图

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,从而使输入电压以一定因数(0.5、2或3)倍增或降低,从而得到所需要的输出电压。

电荷泵的特点有:

①转换效率与输入电压密切相关。电荷泵的近似效率计算公式:

其中:Vout为输出电压;Vin为输入电压;n为倍率。

由式(3)可以看出,当输出电压和倍率一定时,输入越小,电荷泵的效率越高。电荷泵效率一般可以达到75%以上。

②输出电压一般是输入电压的倍数,它能使输入电压升高或降低,也可以用于产生负电压,常见的有±0.5倍压、±1倍压、±1.5倍压、±2倍压、±3倍压。当然,一些新型的片子也支持输出电压可调,如MAX1759,输入电压范围是1.6～5.5 V,输出可固定为3.3 V或在2.5～5.5 V内可调,可提供最大100m A的输出电流。

②输出电流较小,一般在300m A以下。

③设计简捷,占用印制板面积小,容易使用。

④低EM I和输出纹波。

⑤价格中等。

对采用电池供电的便携式电子产品来说,采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源,不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量,而且在减少能耗延长电池寿命等方面起到极大的作用。在手机和其他的一些通信设备中,常用电荷泵来驱动白光LED用作LCD背光电源。

1.2.2 电感式开关电源

利用电感的储能的特性,通过可控开关进行高频开关的动作,将输入的电能储存在电感里,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。

电感式DC—DC的特点有:

①功耗小,效率高。它通过使用低电阻开关和磁存储元件,极大地降低了转换过程中的功率损失,其效率可高达到96%。

②稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿,这样,在工频电网电压变化较大时,它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。

③滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减少。

④电路形式灵活多样。有自激式和他激式,有调宽型(PWM)和调频型(PFM),有单端式和双端式等,设计者可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

⑤可以输出大电流,静态电流小。如Linear Technology的LTC3417,其中的一路可以输出最大1.4 A的电流,停机电流小于1μA。

⑥电感式开关电源存在较大的输出纹波和开关噪音。

⑦需要的外围元件多,电路设计比较繁琐,特别是输出可调的开关电源,需要计算分压电阻、电感、滤波电容的取值。当然也有一些公司的开关稳压芯片外围电路非常简单,只需要一个电感器、一个输入滤波电容、一个输出滤波电容即可,如TI的芯片。

⑧成本相对较高。国外一些厂商的高效率DC—DC批量的价格在2美元以上,零售价一般在20元左右。

电感式DC—DC适用于输出电流较大、要求较高效率的电池供电场合。

2 各类芯片的优缺点比较

表1是以上所述的4种电源芯片的比较[2]。

3 选择电源芯片需要遵循的原则

①明确输入电压(或范围)和输出电压,根据输入输出的大小关系决定选择降压、升压或升降压芯片。如果是降压,则可以选择线性稳压器、电容式DC—DC(即电荷泵)或降压DC—DC(当然升/降压DC—DC也可以,考虑到性价比没有必要这样选);如果是升压或者升/降压,则只能选择DC—DC转换器(电容式或者电感式升压DC—DC)。

②如果是降压,考虑效率,需要计算输入与输出之间的压差。若这个压差很小(远远小于1 V),则可以考虑选择低压差线性稳压器(LDO);若这个压差在1 V以上,则可以考虑选择普通线性稳压器或者电感式降压DC—DC。如果对效率没有要求,两种线性稳压器都可以的情况下,追求更低成本则可以选用普通线性稳压器。

③在线性稳压器和DC—DC稳压器都可以的情况下,若把转换效率放在第一位,则可以选择DC—DC稳压器;若对价格限制得很严格,并且要求较小的纹波和噪声,则可以考虑选用线性稳压器。

④在使用电池供电时,若要求较长的电池使用时间,需要优先考虑效率,无论是升压、降压、升/降压都可以选用DC—DC转换器。为获得较高的效率,此时需要参照DC—DC转换器芯片手册里边的效率随负载电流变化曲线,要根据负载电流选择合适的DC—DC转换器,确保稳压器达到较高的效率。

⑤为保证电池供电系统电源负荷变化较大应用的效率,最好选择PFM/PWM自动切换控制式的DC—DC变换器。PWM的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式,PFM具有静态功耗小,在低负荷时可改进稳压器的效率。当系统在重负荷时由PWM控制,在低负荷时自动切换到PFM控制,这样能够兼顾轻重负载的效率。在备有待机模式的系统中,采用PFM/PWM切换控制的DC—DC稳压器能够得到较高效率。这样的电源芯片有TPS62110/62111/62112/62113、MAX1705/1706、NCP1523/1530/1550等。

⑥不要“大牛拉小车”或“小牛拉大车”。选用电源芯片时为保证电源的使用寿命,需要留有一定的裕量,较合适的工作电流为电源芯片最大输出电流的70%～90%。如果用一个能输出大电流的稳压块来带动一个小电流的负载,虽然说驱动能力没有问题,但是可能会带来两个问题,一方面成本会提高;另一方面选用DC—DC转换器时效率可能会非常低,因为一般的DC—DC在输出电流非常小或者非常大的时候效率都比较低。当使用线性稳压器(特别是普通线性稳压器)的时候,输出电流要尽量留出较多的裕量,因为线性稳压器的压降都消耗在稳压芯片上了,过大的负载电流会造成较为严重的发热,这一点很容易从式1中看出。所以使用普通线性稳压器应该留有更大的裕量。

表1 4种电源芯片的比较

⑦对于电池供电的系统,静态电流和效率是需要重点关注的参数,因为这直接关系到电池的使用寿命。静态电流是与负载电流大小几乎无关的消耗,越小越好。效率是能够转为有效利用能量多少的量度,同样容量大小的电池,电源的效率越高,静态电流越小,电池的使用时间就越长。

⑧输出电流大时应采用降压式DC—DC变换器。便携式电子产品大部分工作电流在300m A以下,并且大部分采用AA镍镉、镍氢电池,若采用1～2节电池,升压到3.3 V或5 V并要求输出500m A以上电流时,电池寿命不长或两次充电间隔时间太短,使用不便。这时采用降压式DC—DC变换器,其效率与升压式差不多,但电池充电间隔时间要长得多。

⑨需要负电源时尽量采用电荷泵。便携式仪器中往往需要负电源,由于所需电流不大,采用电荷泵组成电压反转电路最为简单,若要求噪声小或要求输出稳压时,可采用带LDO线性稳压器的电荷泵芯片。如MAX1720,可以输出50mA的电流,关断电流只有0.4μA,输出负压的绝对值小于输入电压,在此范围内可以外加分压电阻进行调节。MAX868输出电流为30 m A,0.1μA关断电流,30μA静态电流,具有可调的输出范围(0～2Vin),具有电源关断控制引脚和450 kHz的开关频率。

⑩特别要注意LDO和Buck(或Step-Down)型的特性。DC—DC只能降压(相对输入电压)输出,尽管有的芯片手册中给出的输出范围很宽。芯片手册中标定的输出电压范围很多都是针对芯片的输入电压范围的,即针对一个较小的电压范围,输出是达不到给定的输出的,只可能比输入电压低,不可能超过输入电压的。如Linear Technology的降压型的DC—DC转换器LTC3417,手册中在DESCRIPTION一节给出的是每一路输出为从0.8～5 V可调[3],但根据降压转换器的原理可知,输出与输入是密切相关的,并且只能比输入电压低。如果输入为2.5～4.2 V,输出不可能会高于4.2 V,这一点要特别注意。一样的情形也会在线性稳压器中出现,特别是输出可调的线性稳压器,特别容易忽视的一点是,无论怎么可调,输出肯定比输入低一个压差(D ropout Voltage),对于初学者特别容易犯这样的错误,应该引起高度重视。

[11]从电路设计的复杂程度来说,LDO的设计最简单,电荷泵次之,电感式DC—DC最为复杂。一般来说,LDO(固定输出版本)的设计只需要外接2个陶瓷电容器即可;电荷泵一般需要3～4个电容;电感式DC—DC的设计需要计算电感值、分压电阻值、输入输出电容的值等,需要的外围元器件最多,为PCB布局、走线、焊接、调试增加了难度。

[12]方便进行电源管理。为满足便携式系统节能的要求,在为便携式系统选择电源芯片时注重选择具有关断控制管脚的芯片。这里需要采取分区供电的方式,在不需要使用这些某些外设时,方便把该部分外设的电源关掉,从而达到节能的目的。

结 语

电源的设计优劣关乎系统设计的成败,对于电子系统的设计者来说,应该引起足够重视。也许当你发现辛辛苦苦设计的系统仅仅是由于电源问题而无法正常工作的时候,才会真正意识到电源设计的重要作用。需要指出的是,电源的很多指标是不可能同时兼顾的,往往需要在效率、噪声性能、纹波、成本等方面进行折中考虑。此外,为简化计算,很多电源厂商的网站上都有在线设计工具,输入相应的指标就可计算出相关元器件的参数取值,这样可以提高设计效率。但是,这并不意味这样就不需要仔细看芯片手册了,工具不是万能的,某些需要的电源工作模式在工具设计中不一定可以体现出来,这就需要仔细研读芯片手册,在读懂的基础上灵活应用。

编者注:本文为期刊缩略版,全文见本刊网站:www.mesnet.com.cn。

[1]窦振中.基于单片机的嵌入式系统工程设计[M].北京:中国电力出版社,2008:241-247.

[2]颜重光.便携产品电源芯片的应用技术思考:2006便携式消费电子产品专题研讨会,上海,2006-03-22[C/OL].[2010-05-03].http://diagram.eepw.com.cn/diagram/circuit/cid/234/cirid/20540.