嵌入式系统电源芯片选型与应用

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。