浅谈嵌入式系统电源芯片选型与应用

出处:互联网 发布于:2011-09-04 10:53:56

  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,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,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,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

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,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

4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,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的设计简单,电荷泵次之,电感式DC-DC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。


  

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