摘要

本文是一份詳盡的指南，旨在說明如何為處理器、微控制器和高功率信號鏈選擇合適的電源拓撲。本文強調(diào)了高效可靠的功率轉(zhuǎn)換在信號鏈中的重要作用，并著重說明了此類結(jié)構(gòu)緊湊但功能強大的電源器件在不同電子應用中的重要性。無論是在消費電子應用還是工業(yè)自動化環(huán)境中，處理器和微控制器等器件都是主要處理單元，需要穩(wěn)定且精確調(diào)節(jié)的電源才能實現(xiàn)出色性能。本指南同時還強調(diào)，選擇合適的電源架構(gòu)對于確保系統(tǒng)無縫高效運行具有重要意義。

簡介

本文將深入探討低壓差(LDO)穩(wěn)壓器、降壓、升壓、降壓-升壓和單輸入多輸出(SIMO)等電源拓撲在實際使用中需要考慮哪些因素，并評估其應用、重要性、優(yōu)點和缺點。評估旨在通過提供實用的見解，幫助工程師在設(shè)計過程中做出明智的決策。

內(nèi)核電壓穩(wěn)定的重要性

在深入研究電源拓撲的細節(jié)之前，必須了解維持處理器和微控制器內(nèi)核電壓穩(wěn)定的重要性。

? 性能：穩(wěn)定的內(nèi)核電壓可確保器件性能一致且可靠，防止發(fā)生意外崩潰、故障或不穩(wěn)定行為。

? 電源效率：實現(xiàn)良好調(diào)節(jié)的內(nèi)核電壓可充分降低電力損耗，從而提升系統(tǒng)的整體能效。

? 使用壽命長：電壓波動會導致器件過早磨損，縮短其使用壽命。

? 電磁兼容性(EMC)：穩(wěn)定的內(nèi)核電壓有助于減少電磁干擾(EMI)，從而滿足EMC標準要求，這對于醫(yī)療設(shè)備和航空航天系統(tǒng)等敏感應用至關(guān)重要。

? 抗擾度：適當?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)可以保護器件免受外部電噪聲的影響，增強其在高噪聲環(huán)境中的可靠性。

圖1.線性穩(wěn)壓器ADP7142可提供1.8 V輸出軌。

常見電源拓撲

微處理器和微控制器常用的電源拓撲包括線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源(SMPS)。降壓、升壓、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和SIMO轉(zhuǎn)換器都屬于SMPS。每種拓撲都有其優(yōu)點和缺點。下面深入探討這些拓撲，以便全面了解這些拓撲。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器是簡單易用、高性價比的解決方案，適合低功耗應用。無論輸入電壓如何變化，它都能提供恒定的輸出電壓，多余的電壓以熱量的形式耗散。然而，由于功耗原因，其在大電流應用中效率低下。圖1顯示了一個線性穩(wěn)壓器。

使用LDO穩(wěn)壓器進行設(shè)計時，有很多因素需要考慮。表1列出了其優(yōu)點和缺點。

表1.LDO的優(yōu)點和缺點

開關(guān)模式電源(SMPS)

SMPS由于其高效率而成為微處理器和微控制器常用的拓撲結(jié)構(gòu)。SMPS通過快速開關(guān)功率器件(通常是晶體管)，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。它能實現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)，充分降低功耗。圖2展示了降壓、升壓和降壓-升壓拓撲。

圖2.降壓、升壓和降壓-升壓拓撲是三種基本SMPS拓撲1

使用SMPS時，應考慮多方面因素，包括其優(yōu)點和缺點。表2概述了這些重要方面。

表2.SMPS的優(yōu)點和缺點

SMPS的類型

降壓轉(zhuǎn)換器

降壓轉(zhuǎn)換器是一種特定類型的SMPS，可將輸入電壓降至較低的輸出電壓。它廣泛用于為微控制器和低功耗微處理器供電。降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理是開關(guān)器件(通常為晶體管)，將能量儲存在電感和電容中，然后以受控方式將其傳送到輸出端。圖3展示了系統(tǒng)級解決方案中使用的降壓轉(zhuǎn)換器，它能高效地將高壓軌轉(zhuǎn)換為3.3 V。

圖3. LT8631 微功耗降壓轉(zhuǎn)換器解決方案。

選擇降壓轉(zhuǎn)換器作為電源拓撲時，必須權(quán)衡其優(yōu)缺點。表3總結(jié)了這些關(guān)鍵考慮因素。

表3.降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點和缺點

SIMO轉(zhuǎn)換器

SIMO是一種創(chuàng)新的電源管理技術(shù)，可通過單個電感提供多個穩(wěn)壓輸出。2傳統(tǒng)電源管理電路通常需要為每個輸出配備單獨的電感，因此元件數(shù)量較多，占用電路板空間較大，且能量損耗也較高。SIMO簡化了設(shè)計，讓多個輸出通道共享單個電感，從而提高了效率并減小了整體尺寸。圖4展示了用于為多個輸出軌供電的SIMO設(shè)計。

采用SIMO轉(zhuǎn)換器作為電源拓撲時，必須考慮多種因素。表4簡要列出了這種方案的優(yōu)點和缺點。

表4.SIMO轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點和缺點

圖4. MAX17270 SIMO轉(zhuǎn)換器配置為提供三個輸出軌。

圖5.升壓轉(zhuǎn)換器LT8336的輸出電壓為24 V。

升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器是一種將輸入電壓提升至更高輸出電壓的電源拓撲。升壓轉(zhuǎn)換器在微控制器和微處理器中不太常見，但在需要較高內(nèi)核電壓的應用中可找到其身影。在圖5中，升壓轉(zhuǎn)換器用于提供高壓精密放大器的24 V輸出軌。

選擇升壓轉(zhuǎn)換器作為電源拓撲時，必須考慮若干因素。表5清楚概述了這種方案的優(yōu)點和缺點。

表5.升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點和缺點

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器兼具降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的功能，可以降低或升高輸入電壓以提供穩(wěn)定的輸出電壓。這種靈活性使其成為電壓需求多變的應用場景的理想選擇。例如，在圖6中，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)電池堆的輸出電壓，該電池堆的輸入電壓可能變化不定。當電池堆處于放電模式時，輸入電壓大約為4.5 V至5 V，而當電池堆處于充電模式時，電芯電壓可能會降至1.5 V至2.7 V。因此，這類應用需要降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器作為電源架構(gòu)時，必須考慮若干因素。表6簡要總結(jié)了這種方案的優(yōu)點和缺點。

圖6.降壓-升壓轉(zhuǎn)換器LTC3114-1配置為提供3.3 V輸出電壓。

圖7.LT8631降壓轉(zhuǎn)換器性能，由LTpowerCAD® 程序生成。

表6.降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點和缺點

選擇拓撲時需考慮的因素

能否為微處理器或微控制器正確選擇電源拓撲，取決于多種因素。以下是一些重要考慮因素：

? 電源效率：確定設(shè)備的電源要求，選擇高效的拓撲以盡可能減少能耗和發(fā)熱。

? 輸入電壓范圍：考慮在設(shè)備工作環(huán)境中可能存在的輸入電壓范圍。確保所選的拓撲能夠適應此類變化。

? 輸出電壓：確定微處理器或微控制器所需的內(nèi)核電壓。某些拓撲結(jié)構(gòu)(如降壓-升壓轉(zhuǎn)換器)在這方面更加靈活。

? 尺寸和重量限制：如果應用有空間或重量限制，應選擇能夠提供緊湊型、輕量級解決方案的拓撲。

? 成本：評估項目的成本約束。對于低功耗應用，線性穩(wěn)壓器可能是高性價比選擇，但對于更高功率要求，SMPS解決方案可能更具成本效益。

? EMC考量：如果應用需要符合EMC標準，應確保所選拓撲可以通過適當?shù)牟季趾蜑V波來滿足這些要求。

? 瞬態(tài)響應：考慮電源的瞬態(tài)響應。微處理器和微控制器往往會經(jīng)歷負載突變，具有快速穩(wěn)定響應的拓撲對于防止電壓下降或過沖至關(guān)重要。

? 可靠性：評估應用的可靠性要求。某些拓撲(如線性穩(wěn)壓器)具有較少的元件，在某些場景中可能更可靠。

? 環(huán)境條件：考慮設(shè)備的工作環(huán)境。對于電池供電的應用，能效至關(guān)重要，而對于工業(yè)應用，穩(wěn)健性和抗擾度可能更為關(guān)鍵。

實用的實施技巧

選擇合適的電源拓撲后，借助以下一些實用技巧可成功實施：

? 元件選擇：選擇高質(zhì)量的元件，包括電感、電容和晶體管，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。

? 布局和布線：仔細規(guī)劃PCB上電源電路的布局和布線。盡量減小環(huán)路面積，并使用適當?shù)慕拥丶夹g(shù)，以降低噪聲并改善EMC性能。

? 濾波：根據(jù)需要添加輸入和輸出濾波器，以抑制EMI并確保輸出電壓干凈穩(wěn)定。

? 保護：實施過壓、欠壓和過流保護機制，以保護微處理器或微控制器免受損壞。

? 測試和特性表征：在各種工作條件下對電源電路進行全面測試和特性表征，確保其符合所需的性能規(guī)格。

? 散熱管理：如果設(shè)計涉及功耗，應考慮添加散熱器或散熱管理解決方案以防止過熱。

結(jié)語

為微處理器或微控制器選擇正確的電源拓撲，是設(shè)計過程中的重要一步。每種拓撲都有各自的優(yōu)點和缺點，選擇何種拓撲應根據(jù)應用的具體要求決定。為了做出明智的選擇以確保設(shè)備可靠高效地運行，應考慮電源效率、輸入電壓范圍和輸出電壓穩(wěn)定性等因素。

但必須注意的是，實施階段同樣重要。正確的元件選擇、謹慎的布局布線和全面的測試，對于充分發(fā)揮所選電源拓撲的潛力至關(guān)重要。重視這些細節(jié)能夠讓微處理器和微控制器獲得高效的供電，從而在各種應用中實現(xiàn)出色的性能。

參考文獻

1 “An Introduction to Switch-Mode Power Supplies ”。Maxim Engineering Journal，第61卷，2007年9月。

2 Cary Delano和Gaurav Mital?！癝IMO Switching Regulators:Extending Battery Life for Hearables and Wearables ”。Maxim Integrated(現(xiàn)已并入ADI公司)，2017年11月。