浅谈嵌入式系统电源芯片选型与应用

浅谈嵌入式系统电源芯片选型与应用

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，电感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。

嵌入式系统是计算机技术，通信技术，半导体技术，微电子技术，语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集，投资强度大，高度分散，不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。嵌入式计算机基本上不能算是嵌入式系统。它仍然是计算机一类，不过是工作条件有所不同而已，因为它还保留了计算机的基本。

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。

嵌入式系统电源需求

该系统电源较复杂，有多达8种不同的电源电压值，其中5 V和3.3 V由CPCI机箱提供。5 V供给DC／DC器件降压以产生其他电源电压，同时给1553总线的变压器供电。3.3 V 是系统主电源，包括USB PHY、时钟器件、FPGA和CPU以及PCI桥器件（PLX6466）的I／O 部分等。其他电源电压都是由5V或3.3 V经电源器件降压得到。

其中VDD 1.5 V是PPC440EPx的内核电压，SOVDD是CPU的DDR2接口电源；1.8 V为PCI桥的内核电压，VDDIO是PCI桥的接口电源。

该系统采用DDR2作为内存，使用4片Micron公司的MT47H64M16，容量为512 MB。每片DDR2器件的内核、接口和DLL的电源电压都是1.8 V，最大电流为440 mA。另外需特别注意DDR2的VREF以及地址和控制信号的端口接电压VTT，其电压值都是0.9 V。其中，VREF 对容差的要求非常严格（小于2％），不过其对电流的要求较小。而对VTT不仅有严格的容差要求，而且还要求其能在瞬间输出或吸收很大的电流。同时，VREF岍要随着VDD的变化而变化，VTT也要跟踪VREF的变化。通常的LDO难以完成这样的工作，必须采用专用的DDR 端接电源器件。

该系统使用Spartan3型FPGA器件XC3S200实现1553收发器以及一些接口电路的设计。该器件使用3个电压内核电压VCCINT（1.2 V），辅助电压VCCAUX（2.5 V）以及接口电压VCCO（3.3 V）。FPGA内部有上电复位电路，只有当这3个电源信号都达到各自门限电压，

才释放该复位信号。因此，对这3个电源信号的上电顺序没有要求。不过，如果 VCCINT先于VCCAUX上电，则会在上电时额外增加几百毫安的瞬时电流。估计FPGA器件功耗可采用基于电子数据表的工具XPower Estimator（XPE）或在ISE下直接调用XPower。系统利用XPower软件估计出该设计功耗需求：VCCINT为50 mA，VCCAUX为10 mA。系统使用两片88E1111作为千兆以太网的PHY器件，该器件以2.5 V为砌电压（410 mA），1.0 V为内核电压（250 mA）。除上述集成电路外，系统还有诸如串行接口、USB接口、时钟等电路，但功耗都较低。从分析可知：1.5 V和1.8 V需要使用大功率的电源器件，DDR2的电源需要专用的电源器件，其他电压的功率要求较小。

电源器件选型

电源器件主要分为线性稳压器和DC／DC转换器两大类型。LDO属于线性稳压器主要应用于输人和输出压差较小的场合，其特点是：成本低、噪音低、静态电流小、需外接元件少，但其转换效率不是很高，且输出电流一般不是很大。DC／DC转换器的转换效率高、输出大电流、静态电流小。但由于采用PWM控制，其开关噪音较大，成本也相对较高。且外接电路较复杂，一般都需外接开关管、电感及电容。许多新型 DC／DC将开关管集成到器件内部。因此只需外接电感和滤波电容。

根据电源器件的特点，以及对系统电源需求的分析，这两种类型的电源器件在该系统都得到使用。但为简化设计、便于批量生产和物料管理，该系统只使用3个不同型号的电源器件，分别是：LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中，功耗需求较大的1.5 V和1.8 V电源电路采用LT3501实现；DDR2的端接电源和参考电源由器件TPS51100提供；系统的其他电源由TPS74801提供。

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：

1.1.1普通线性稳压器

图1线性稳压器原理图

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：

调整管功耗较大，电源效率低，一般只有45%左右。

体积大，需要占用较大的板子空间。

发热严重，要求较高的场合需要安装散热器。

静态电流较大，一般在mA级。

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。

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。

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。

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100 mA的输出电流。

输出电流较小，一般在300 mA以下。

设计简捷，占用印制板面积小，容易使用。

低EMI和输出纹波。

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：

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%。

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。

滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。

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。

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1 μA。

电感式开关电源存在较大的输出纹波和开关噪音。

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。

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。

各类芯片的优缺点比较

表14种电源芯片的比较

选择电源芯片需要遵循的原则

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）。

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，追求更低成本则可以选用普通线性稳压器。

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。

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。

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。

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。

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。

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300 mA 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500 mA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。

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50 mA的电流，关断电流只有0.4 μA，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 mA，0.1 μA关断电流，30 μA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……

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。

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。