嵌入式体系电源芯片选型与使用

　　电源是嵌入式体系中不行短少的重要组成部分，电源规划的好坏直接决议了体系规划的胜败。呈现电源规划问题的原因一方面是因为规划者硬件规划经验不足;另一方面是集成稳压芯片品种繁多、手册阐明不标准(特别是DC-DC转化器)。电源规划过程中，除了有电压和电流根本要求之外，还需求对功率、噪声、纹波、体积、抗搅扰等性能指标有着必定的束缚。此外，关于选用电池供电的便携式嵌入式体系的电源来说，还要有电源办理的考虑。

　　1电源技能概述

　　依照调整管的作业状况来分，直流稳压电源能够分为两大类：一类是线性稳压电源;另一类是开关稳压电源[1]。调整管作业在线性状况的称为线性稳压器;调整管作业在开关状况的称为开关型稳压器。线性稳压电源能够细分为两种，一种是一般线性稳压器;另一种是低压差线性稳压器(Low DropOut regulator，LDO)。开关电源稳压器也能够细分为两种，一种是电容式DC-DC转化器，即常说的电荷泵;另一种是电感式DC-DC转化器，即一般所说的DC-DC转化器。

　　1.1线性稳压器

　　在确保输出安稳的前提下，输入电压高出预设输出电压的电压值叫输入/输出电压差。这个参数不只与稳压器选用的调整管有关，并且与管子的作业状况有关。一般线性稳压器选用的调整管一般是双极型晶体管，管子作业在线性状况，输入输出电压差一般在1～3 V;而低压差线性稳压器选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，做得比较小的能够到达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：

　　其间：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。

　　线性稳压器的功率界说为：

　　其间：Vin、Vout、Iout、Iq的意义同式1;Pout为输出功率;Pin为输入功率;Iin为输入电流。

　　依据以上对耗散功率和功率的剖析，为了进步功率，有必要使输入/输出压差和静态电流尽可能小。假如不考虑负载的话，输入/输出压差是决议功率的关键因素。LDO的作业功率一般在60%～75%之间，静态电流小的功率会好一些。在疏忽LDO静态电流的情况下，能够选用Vout/Vin来预算功率。

　　1.1.1一般线性稳压器

　　图1线性稳压器原理图

　　一般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，两者的差值经扩大器U1扩大后，操控串联调整管的压降，然后安稳输出电压。当输出电压Uo下降时，基准电压与取样电压的差值添加，比较扩大器输出的驱动电流添加，串联调整管压降减小，然后使输出电压升高;若输出电压Uo超越所需求的设定值，比较扩大器输出的前驱动电流减小，然后使输出电压下降。

　　在图1中，依据KVL规律可知，UO=Ui-Vce，Vce为管子集电极到发射极的压降，关于一般线性稳压器，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，当然这个压差是随作业温度和输出电流巨细而改变的，不是一个固定值，在选用一般线性稳压器的时分有必要满意输入/输出最小压差的要求，不然稳压芯片不能正常作业。如LM7805的输入电压规模是5～18 V，料想输出5 V电压，输入电压有必要比预期输出5 V高出2 V，即输入电压有必要在7 V以上才干确保芯片正常作业。这一点是规划时需求特别注意的。

　　一般线性稳压器的特色如下：

　　① 调整管功耗较大，电源功率低，一般只要45%左右。

　　② 体积大，需求占用较大的板子空间。

　　③ 发热严峻，要求较高的场合需求装置散热器。

　　④ 静态电流较大，一般在mA级。

　　⑤ 需求外接容量较大的低频滤波电容，增大了电源的体积。

　　一般线性稳压器价格低，静态电流大，功率较低，最小输入/输出电压差较大，只能用于降压且对电源功率和体积没有严格要求的场合，如充电器、试验仪器等。

　　1.1.2低压差线性稳压器

　　低压差线性稳压器的作业原理与一般线性稳压器的原理彻底相同，都是经过操控调整管上的压降改变来安稳输出电压。二者的差异在于选用的调整管结构的不同，然后使LDO比一般线性稳压器压差更小，功耗更低。

　　需求阐明的是，实践的线性稳压器还应当具有许多其他的功用，比方负载短路维护、过压关断、过热关断、反接维护等，许多芯片的调整管选用MOSFET。

　　当用在降压并且输入/输出电压很挨近的场合，选用LDO稳压器是一种不错的挑选，依据上文线性稳压器功率的剖析可知，当输入/输出压差较小时，LDO能够到达较高的功率。因而，在把锂离子电池电压转化为3 V输出电压的运用中大多选用LDO稳压器。尽管电池的能量最终有10%不能运用，LDO稳压器依然能够确保电池较长的作业时刻，一起噪音较低。

　　此外，LDO具有极高的信噪按捺比，十分合适用做对噪声灵敏的小信号处理电路供电。一起，因为没有开关时大的电流改变所引发的电磁搅扰，所以便于规划。许多手机、便携式设备等对搅扰灵敏的设备许多都选用多路输出的LDO用作体系的电源芯片。

　　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)根本作业原理是运用电容的储能的特性，经过可控开关(双极型三极管或许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，供给能量。其输出的功率或电压的才能与占空比(由开关导通时刻与整个开关的周期的比值)有关。电容式开关电源能够用于升压和降压。

　　其内部的FET开关阵列以必定方法操控快速%&&&&&%器的充电和放电，然后使输入电压以必定因数(05、2或3)倍增或下降，然后得到所需求的输出电压。

　　电荷泵的特色有：

　　① 转化功率与输入电压密切相关。电荷泵的近似功率计算公式：

　　其间：Vout为输出电压;Vin为输入电压;n为倍率。

　　由式(3)能够看出，当输出电压和倍率必守时，输入越小，电荷泵的功率越高。电荷泵功率一般能够到达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下降，也能够用于发生负电压，常见的有±0.5倍压、±1倍压、±1.5倍压、±2倍压、±3倍压。当然，一些新式的片子也支撑输出电压可调，如MAX1759，输入电压规模是1.6～5.5 V，输出可固定为33 V或在25～55 V内可调，可供给最大100 mA的输出电流。

　　② 输出电流较小，一般在300 mA以下。

　　③ 规划简捷，占用印制板面积小，简单运用。

　　④ 低EMI和输出纹波。

　　⑤ 价格中等。

　　对选用电池供电的便携式电子产品来说，选用电荷泵变换器来取得负电源或倍压电源，不只仅削减电池的数量、削减产品的体积、分量，并且在削减能耗延伸电池寿数等方面起到极大的效果。在手机和其他的一些通讯设备中，常用电荷泵来驱动白光LED用作LCD背光电源。