摘要：對嵌入式系統(tǒng)可使用的4類電源芯片--普通線性穩(wěn)壓器、低壓差線性穩(wěn)壓器、電容式DC-DC轉(zhuǎn)換器(即電荷泵）、電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器--進行了原理介紹和特點分析，提出了電源芯片選型的原則，最后給出了一個電源設(shè)計實例。

電源是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，電源設(shè)計的好壞直接決定了系統(tǒng)設(shè)計的成敗。出現(xiàn)電源設(shè)計問題的原因一方面是由于設(shè)計者硬件設(shè)計經(jīng)驗不足；另一方面是集成穩(wěn)壓芯片品種繁多、手冊說明不規(guī)范（特別是DC-DC轉(zhuǎn)換器）。電源設(shè)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(biāo)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(tǒng)的電源來說，還要有電源管理的考慮。

1、電源技術(shù)概述

按照調(diào)整管的工作狀態(tài)來分，直流穩(wěn)壓電源可以分為兩大類：一類是線性穩(wěn)壓電源；另一類是開關(guān)穩(wěn)壓電源[1]。調(diào)整管工作在線性狀態(tài)的稱為線性穩(wěn)壓器；調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)的稱為開關(guān)型穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓電源可以細(xì)分為兩種，一種是普通線性穩(wěn)壓器；另一種是低壓差線性穩(wěn)壓器（Low DropOut regulator，LDO）。開關(guān)電源穩(wěn)壓器也可以細(xì)分為兩種，一種是電容式DC-DC轉(zhuǎn)換器，即常說的電荷泵；另一種是電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器，即通常所說的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

1.1  線性穩(wěn)壓器

在保證輸出穩(wěn)定的前提下，輸入電壓高出預(yù)設(shè)輸出電壓的電壓值叫輸入/輸出電壓差。這個參數(shù)不僅與穩(wěn)壓器采用的調(diào)整管有關(guān)，而且與管子的工作狀態(tài)有關(guān)。普通線性穩(wěn)壓器采用的調(diào)整管一般是雙極型晶體管，管子工作在線性狀態(tài)，輸入輸出電壓差一般在1～3 V；而低壓差線性穩(wěn)壓器采用的管子一般是場效應(yīng)管，導(dǎo)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(dá)到0?1 V以下，如美國半導(dǎo)體公司的LP3999和LP3985，最小壓差均為0?06 V。

線性集成穩(wěn)壓器的總功率耗散PD的計算公式如下：

 

其中：Vin為穩(wěn)壓器輸入電壓；Vout為穩(wěn)壓器輸出電壓；Iout為穩(wěn)壓器輸出電流；Iq為穩(wěn)壓器靜態(tài)電流。

線性穩(wěn)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(jù)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(tài)電流盡可能小。如果不考慮負(fù)載的話，輸入/輸出壓差是決定效率的關(guān)鍵因素。LDO的工作效率一般在60%～75%之間，靜態(tài)電流小的效率會好一些。在忽略LDO靜態(tài)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(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器原理圖

圖1 線性穩(wěn)壓器原理圖
 

普通線性穩(wěn)壓器的原理圖如圖1所示，取樣電壓加在比較器U1的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Uref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器U1 放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uo降低時，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動電流增加，串聯(lián)調(diào)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(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動電流減小，從而使輸出電壓降低。

在圖1中，根據(jù)KVL定律可知，UO=Ui-Vce，Vce為管子集電極到發(fā)射極的壓降，對于普通線性穩(wěn)壓器，這個壓降一般為1～3 V，LM7805的輸入/輸出壓差一般在2 V以上，當(dāng)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(wěn)壓器的時候必須滿足輸入/輸出最小壓差的要求，否則穩(wěn)壓芯片不能正常工作。如LM7805的輸入電壓范圍是5～18 V，預(yù)想輸出5 V電壓，輸入電壓必須比預(yù)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(shè)計時需要特別注意的。(責(zé)任編輯：admin)