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嵌入式系统电源芯片选型与应用
发布日期:2011-5-24  浏览次数:1138 

关键词:嵌入式系统 电源芯片

    摘要: 对嵌入式系统可使用的4类电源芯片--普通线性稳压器、低压差线性稳压器、电容式DC-DC转换器(即电荷泵)、电感式DC-DC转换器--进行了原理介绍和特点分析,提出了电源芯片选型的原则,最后给出了一个电源设计实例。

  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。

  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。

  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。

 
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