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轉換器，電感DC-DC轉換器；進行了原理介紹和特點分析，提出了電源芯片選型的原則，給出了一個電源設計實例。

　　嵌入式系統(tǒng)是計算機技術，通信技術，半導體技術，微電子技術，語音圖象數(shù)據傳輸技術，甚至傳感器等先進技術和具體應用對象相結合后的更新?lián)Q代產品。因此往往是技術密集，投資強度大，高度分散，不斷創(chuàng)新的知識密集型系統(tǒng)。反映當代技術的先進水平。嵌入式計算機基本上不能算是嵌入式系統(tǒng)。它仍然是計算機一類，不過是工作條件有所不同而已，因為它還保留了計算機的基本。

　　電源技術概述

　　按照調整管的工作狀態(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；另一類是開關穩(wěn)壓電源[1]。調整管工作在線性狀態(tài)的稱為線性穩(wěn)壓器；調整管工作在開關狀態(tài)的稱為開關型穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓電源可以細分為兩種，一種是普通線性穩(wěn)壓器；另一種是低壓差線性穩(wěn)壓器。

　　嵌入式系統(tǒng)電源需求

　　該系統(tǒng)電源較復雜，有多達8種不同的電源電壓值，其中5 V和3.3 V由CPCI機箱提供。5 V供給DC／DC器件降壓以產生其他電源電壓，同時給1553總線的變壓器供電。3.3 V是系統(tǒng)主電源，包括USB PHY、時鐘器件、FPGA和CPU以及PCI橋器件（PLX6466）的I／O部分等。其他電源電壓都是由5V或3.3 V經電源器件降壓得到。

　　其中VDD 1.5 V是PPC440EPx的內核電壓，SOVDD是CPU的DDR2接口電源；1.8 V為PCI橋的內核電壓，VDDIO是PCI橋的接口電源。

　　該系統(tǒng)采用DDR2作為內存，使用4片Micron公司的MT47H64M16，容量為512 MB。每片DDR2器件的內核、接口和DLL的電源電壓都是1.8 V，電流為440 mA。另外需特別注意DDR2的VREF以及地址和控制信號的端口接電壓VTT，其電壓值都是0.9 V。其中，VREF對容差的要求非常嚴格（小于2％），不過其對電流的要求較小。而對VTT不僅有嚴格的容差要求，而且還要求其能在瞬間輸出或吸收很大的電流。同時，VREF岍要隨著VDD的變化而變化，VTT也要跟蹤VREF的變化。通常的LDO難以完成這樣的工作，必須采用專用的DDR端接電源器件。

　　該系統(tǒng)使用Spartan3型FPGA器件XC3S200實現(xiàn)1553收發(fā)器以及一些接口電路的設計。該器件使用3個電壓內核電壓VCCINT（1.2 V），輔助電壓VCCAUX（2.5 V）以及接口電壓VCCO（3.3 V）。FPGA內部有上電復位電路，只有當這3個電源信號都達到各自門限電壓，才釋放該復位信號。因此，對這3個電源信號的上電順序沒有要求。不過，如果 VCCINT先于VCCAUX上電，則會在上電時額外增加幾百毫安的瞬時電流。估計FPGA器件功耗可采用基于電子數(shù)據表的工具XPower　 Estimator（XPE）或在ISE下直接調用XPower。系統(tǒng)利用XPower軟件估計出該設計功耗需求：VCCINT為50 mA，VCCAUX為10 mA。系統(tǒng)使用兩片88E1111作為千兆以太網的PHY器件，該器件以2.5 V為砌電壓（410 mA），1.0 V為內核電壓（250 mA）。除上述集成電路外，系統(tǒng)還有諸如串行接口、USB接口、時鐘等電路，但功耗都較低。從分析可知：1.5 V和1.8 V需要使用大功率的電源器件，DDR2的電源需要專用的電源器件，其他電壓的功率要求較小。

　　電源器件選型

　　電源器件主要分為線性穩(wěn)壓器和DC／DC轉換器兩大類型。LDO屬于線性穩(wěn)壓器主要應用于輸人和輸出壓差較小的場合，其特點是：成本低、噪音低、靜態(tài)電流小、需外接元件少，但其轉換效率不是很高，且輸出電流一般不是很大。DC／DC轉換器的轉換效率高、輸出大電流、靜態(tài)電流小。但由于采用PWM控制，其開關噪音較大，成本也相對較高。且外接電路較復雜，一般都需外接開關管、電感及電容。許多新型 DC／DC將開關管集成到器件內部。因此只需外接電感和濾波電容。

　　根據電源器件的特點，以及對系統(tǒng)電源需求的分析，這兩種類型的電源器件在該系統(tǒng)都得到使用。但為簡化設計、便于批量生產和物料管理，該系統(tǒng)只使用3個不同型號的電源器件，分別是：LT3501、LDO器件TPS51100和TPS74801。其中，功耗需求較大的1.5 V和1.8 V電源電路采用LT3501實現(xiàn)；DDR2的端接電源和參考電源由器件TPS51100提供；系統(tǒng)的其他電源由TPS74801提供。

　　1.1線性穩(wěn)壓器

　　在保證輸出穩(wěn)定的前提下，輸入電壓高出預設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)壓器采用的調整管有關，而且與管子的工作狀態(tài)有關。普通線性穩(wěn)壓器采用的調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管，導通電阻在幾十~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到01 V以下，如美國半導體公司的LP3999和LP3985，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：

　　1.1.1普通線性穩(wěn)壓器

　　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電壓Uref相比較，兩者的差值經放大器U1放大后，控制串聯(lián)調整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當輸出電壓Uo降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯(lián)調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高；若輸出電壓Uo超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。

　　在圖1中，根據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，預想輸出5 V電壓，輸入電壓必須比預期輸出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。這一點是設計時需要特別注意的。

　　普通線性穩(wěn)壓器的特點如下：

　　調整管功耗較大，電源效率低，一般只有45%左右。

　　體積大，需要占用較大的板子空間。

　　發(fā)熱嚴重，要求較高的場合需要安裝散熱器。

　　靜態(tài)電流較大，一般在mA級。

　　需要外接容量較大的低頻濾波電容，增大了電源的體積。

　　普通線性穩(wěn)壓器價格低，靜態(tài)電流大，效率較低，輸入/輸出電壓差較大，只能用于降壓且對電源效率和體積沒有嚴格要求的場合，如充電器、實驗儀器等。

　　1.1.2低壓差線性穩(wěn)壓器

　　低壓差線性穩(wěn)壓器的工作原理與普通線性穩(wěn)壓器的原理完全一樣，都是通過控制調整管上的壓降變化來穩(wěn)定輸出電壓。二者的差異在于采用的調整管結構的不同，從而使LDO比普通線性穩(wěn)壓器壓差更小，功耗更低。

　　需要說明的是，實際的線性穩(wěn)壓器還應當具有許多其他的功能，比如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等，很多芯片的調整管采用MOSFET。

　　當用在降壓并且輸入/輸出電壓很接近的場合，選用LDO穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇，根據上文線性穩(wěn)壓器效率的分析可知，當輸入/輸出壓差較小時，LDO可以達到較高的效率。因此，在把鋰離子電池電壓轉換為3 V輸出電壓的應用中大多選用LDO穩(wěn)壓器。雖然電池的能量有10%不能使用，LDO穩(wěn)壓器仍然能夠保證電池較長的工作時間，同時噪音較低。

　　此外，LDO具有極高的信噪抑制比，非常適合用做對噪聲敏感的小信號處理電路供電。同時，由于沒有開關時大的電流變化所引發(fā)的電磁干擾，所以便于設計。很多手機、便攜式設備等對干擾敏感的設備很多都采用多路輸出的LDO用作系統(tǒng)的電源芯片。

　　1.2開關電源

　　1.2.1電容式開關電源

　　電容式開關電源（即電荷泵）基本工作原理是利用電容的儲能的特性，通過可控開關（雙極型三極管或者MOSFET等）進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關導通時間與整個開關的周期的比值）有關。電容式開關電源可以用于升壓和降壓。

　　其內部的FET開關陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)（05、2或3）倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。

    ① 轉換效率與輸入電壓密切相關。電荷泵的近似效率計算公式：

　　其中：Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓；n為倍率。

　　由式（3）可以看出，當輸出電壓和倍率一定時，輸入越小，電荷泵的效率越高。電荷泵效率一般可以達到75%以上。

　　輸出電壓一般是輸入電壓的倍數(shù)，它能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產生負電壓，常見的有±0.5倍壓、±1倍壓、±1.5倍壓、±2倍壓、±3倍壓。當然，一些新型的片子也支持輸出電壓可調，如MAX1759，輸入電壓范圍是1.6～5.5 V，輸出可固定為33 V或在25～55 V內可調，可提供100 mA的輸出電流。

　　輸出電流較小，一般在300 mA以下。

　　設計簡捷，占用印制板面積小，容易使用。

　　低EMI和輸出紋波。

　　價格中等。

　　對采用電池供電的便攜式電子產品來說，采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產品的體積、重量，而且在減少能耗延長電池壽命等方面起到極大的作用。在手機和其他的一些通信設備中，常用電荷泵來驅動白光LED用作LCD背光電源。

　　1.2.2電感式開關電源

　　利用電感的儲能的特性，通過可控開關進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電感里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關導通時間與整個開關的周期的比值）有關。

　　電感式DC-DC的特點有：

　　功耗小，效率高。它通過使用低電阻開關和磁存儲元件，極大地降低了轉換過程中的功率損失，其效率可高達到96%。

　　穩(wěn)壓范圍寬。從開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償，這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。

　　濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。

　　電路形式靈活多樣。有自激式和他激式，有調寬型（PWM）和調頻型（PFM），有單端式和雙端式等，設計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關穩(wěn)壓電源。

　　可以輸出大電流，靜態(tài)電流小。如Linear Technology的LTC3417，其中的一路可以輸出14 A的電流，停機電流小于1 μA。

　　電感式開關電源存在較大的輸出紋波和開關噪音。

　　需要的外圍元件多，電路設計比較繁瑣，特別是輸出可調的開關電源，需要計算分壓電阻、電感、濾波電容的取值。當然也有一些公司的開關穩(wěn)壓芯片外圍電路非常簡單，只需要一個電感器、一個輸入濾波電容、一個輸出濾波電容即可，如TI的芯片。

　　成本相對較高。國外一些廠商的高效率DC-DC批量的價格在2美元以上，零售價一般在20元左右。

　　電感式DC-DC適用于輸出電流較大、要求較高效率的電池供電場合。

　　各類芯片的優(yōu)缺點比較

    表14種電源芯片的比較

　　選擇電源芯片需要遵循的原則

　　明確輸入電壓（或范圍）和輸出電壓，根據輸入輸出的大小關系決定選擇降壓、升壓或升降壓芯片。如果是降壓，則可以選擇線性穩(wěn)壓器、電容式DC-DC（即電荷泵）或降壓DC-DC（當然升/降壓DC-DC也可以，考慮到性價比沒有必要這樣選）；如果是升壓或者升/降壓，則只能選擇DC-DC轉換器（電容式或者電感式升壓DC-DC）。

　　如果是降壓，考慮效率，需要計算輸入與輸出之間的壓差。若這個壓差很小（遠遠小于1 V），則可以考慮選擇低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）；若這個壓差在1 V以上，追求更低成本則可以選用普通線性穩(wěn)壓器。

　　在線性穩(wěn)壓器和DC-DC穩(wěn)壓器都可以的情況下，若把轉換效率放在位，則可以選擇DC-DC穩(wěn)壓器；若對價格限制得很嚴格，并且要求較小的紋波和噪聲，則可以考慮選用線性穩(wěn)壓器。

　　在使用電池供電時，若要求較長的電池使用時間，需要優(yōu)先考慮效率，無論是升壓、降壓、升/降壓都可以選用DC-DC轉換器。為獲得較高的效率，此時需要參照DC-DC轉換器芯片手冊里邊的效率隨負載電流變化曲線，要根據負載電流選擇合適的DC-DC轉換器，確保穩(wěn)壓器達到較高的效率。

　　為保證電池供電系統(tǒng)電源負荷變化較大應用的效率，選擇 PFM/PWM自動切換控制式的 DC-DC變換器。PWM的特點是噪音低、滿負載時效率高且能工作在連續(xù)導電模式，PFM具有靜態(tài)功耗小，在低負荷時可改進穩(wěn)壓器的效率。當系統(tǒng)在重負荷時由PWM控制，在低負荷時自動切換到PFM控制，這樣能夠兼顧輕重負載的效率。在備有待機模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的DC-DC穩(wěn)壓器能夠得到較高效率。這樣的電源芯片有TPS62110/62111/62112/62113、MAX1705/1706、NCP1523/1530/1550等。

　　不要“大牛拉小車”或“小牛拉大車”。選用電源芯片時為保證電源的使用壽命，需要留有一定的裕量，較合適的工作電流為電源芯片輸出電流的70%～90%。如果用一個能輸出大電流的穩(wěn)壓塊來帶動一個小電流的負載，雖然說驅動能力沒有問題，但是可能會帶來兩個問題，一方面成本會提高；另一方面選用DC-DC轉換器時效率可能會非常低，因為一般的DC-DC在輸出電流非常小或者非常大的時候效率都比較低。當使用線性穩(wěn)壓器（特別是普通線性穩(wěn)壓器）的時候，輸出電流要盡量留出較多的裕量，因為線性穩(wěn)壓器的壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上了，過大的負載電流會造成較為嚴重的發(fā)熱。

　　對于電池供電的系統(tǒng)，靜態(tài)電流和效率是需要重點關注的參數(shù)，因為這直接關系到電池的使用壽命。靜態(tài)電流是與負載電流大小幾乎無關的消耗，越小越好。效率是能夠轉為有效利用能量多少的量度，同樣容量大小的電池，電源的效率越高，靜態(tài)電流越小，電池的使用時間就越長。

　　輸出電流大時應采用降壓式 DC-DC變換器。便攜式電子產品大部分工作電流在300 mA以下，并且大部分采用AA鎳鎘、鎳氫電池，若采用 1～2節(jié)電池，升壓到3.3 V或5 V并要求輸出500 mA以上電流時，電池壽命不長或兩次充電間隔時間太短，使用不便。這時采用降壓式DC-DC變換器，其效率與升壓式差不多，但電池充電間隔時間要長得多。

　　需要負電源時盡量采用電荷泵。便攜式儀器中往往需要負電源，由于所需電流不大，采用電荷泵組成電壓反轉電路為簡單，若要求噪聲小或要求輸出穩(wěn)壓時，可采用帶 LDO線性穩(wěn)壓器的電荷泵芯片。如MAX1720，可以輸出50 mA的電流，關斷電流只有0.4 μA，輸出負壓的小于輸入電壓，在此范圍內可以外加分壓電阻進行調節(jié)。MAX868輸出電流為30 mA，0.1 μA關斷電流，30 μA靜態(tài)電流，具有可調的輸出范圍（0~2Vin），具有電源關斷控制引腳和450 kHz的開關頻率……

　　從電路設計的復雜程度來說，LDO的設計簡單，電荷泵次之，電感式DC-DC為復雜。一般來說，LDO（固定輸出版本）的設計只需要外接2個陶瓷電容器即可；電荷泵一般需要3～4個電容；電感式DC-DC的設計需要計算電感值、分壓電阻值、輸入輸出電容的值等，需要的外圍元器件多，為PCB布局、走線、焊接、調試增加了難度。

　　方便進行電源管理。為滿足便攜式系統(tǒng)節(jié)能的要求，在為便攜式系統(tǒng)選擇電源芯片時注重選擇具有關斷控制管腳的芯片。這里需要采取分區(qū)供電的方式，在不需要使用這些某些外設時，方便把該部分外設的電源關掉，從而達到節(jié)能的目的。