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作者：Jan Michael Gonzales，產(chǎn)品應用資深工程師 Ralph Clarenz Matocinos，產(chǎn)品應用助理工程師 Christian Cruz，產(chǎn)品應用資深工程師 ADI公司 摘要 本文是一份詳盡的指南，旨在說(shuō)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。本文強調了高效可靠的功率轉換在信號鏈中的重要作用，并著(zhù)重說(shuō)明了此類(lèi)結構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(wú)論是在消費電子應用還是工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中，處理器和微控制器等器件都是主要處理單元，需要穩定且精確調節的電源才能實(shí)現出色性能。本指南同時(shí)還強調，選擇合適的電源架構對于確保系統無(wú)縫高效運行具有重要意義。 簡(jiǎn)介 本文將深入探討低壓差(LDO)穩壓器、降壓、升壓、降壓-升壓和單輸入多輸出(SIMO)等電源拓撲在實(shí)際使用中需要考慮哪些因素，并評估其應用、重要性、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。評估旨在通過(guò)提供實(shí)用的見(jiàn)解，幫助工程師在設計過(guò)程中做出明智的決策。 內核電壓穩定的重要性 在深入研究電源拓撲的細節之前，必須了解維持處理器和微控制器內核電壓穩定的重要性。 ► 性能：穩定的內核電壓可確保器件性能一致且可靠，防止發(fā)生意外崩潰、故障或不穩定行為。 ► 電源效率：實(shí)現良好調節的內核電壓可充分降低電力損耗，從而提升系統的整體能效。 ► 使用壽命長(cháng)：電壓波動(dòng)會(huì )導致器件過(guò)早磨損，縮短其使用壽命。 ► 電磁兼容性(EMC)：穩定的內核電壓有助于減少電磁干擾(EMI)，從而滿(mǎn)足EMC標準要求，這對于醫療設備和航空航天系統等敏感應用至關(guān)重要。 ► 抗擾度：適當的電壓調節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(xiàn)性穩壓器ADP7142可提供1.8 V輸出軌。 常見(jiàn)電源拓撲 微處理器和微控制器常用的電源拓撲包括線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)。降壓、升壓、降壓-升壓轉換器和SIMO轉換器都屬于SMPS。每種拓撲都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。下面深入探討這些拓撲，以便全面了解這些拓撲。 線(xiàn)性穩壓器 線(xiàn)性穩壓器是簡(jiǎn)單易用、高性?xún)r(jià)比的解決方案，適合低功耗應用。無(wú)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(gè)線(xiàn)性穩壓器。 使用LDO穩壓器進(jìn)行設計時(shí)，有很多因素需要考慮。表1列出了其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 表1.LDO的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
開(kāi)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構。SMPS通過(guò)快速開(kāi)關(guān)功率器件（通常是晶體管），將輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。它能實(shí)現精確的電壓調節，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(shí)，應考慮多方面因素，包括其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。表2概述了這些重要方面。 表2.SMPS的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
SMPS的類(lèi)型 降壓轉換器 降壓轉換器是一種特定類(lèi)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。降壓轉換器的工作原理是開(kāi)關(guān)器件（通常為晶體管），將能量?jì)Υ嬖?a href="http://selenalain.com/keyword/電感" target="_blank" class="relatedlink">電感和電容中，然后以受控方式將其傳送到輸出端。圖3展示了系統級解決方案中使用的降壓轉換器，它能高效地將高壓軌轉換為3.3 V。
圖3. LT8631 微功耗降壓轉換器解決方案。 選擇降壓轉換器作為電源拓撲時(shí)，必須權衡其優(yōu)缺點(diǎn)。表3總結了這些關(guān)鍵考慮因素。 表3.降壓轉換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
SIMO轉換器 SIMO是一種創(chuàng )新的電源管理技術(shù)，可通過(guò)單個(gè)電感提供多個(gè)穩壓輸出。2傳統電源管理電路通常需要為每個(gè)輸出配備單獨的電感，因此元件數量較多，占用電路板空間較大，且能量損耗也較高。SIMO簡(jiǎn)化了設計，讓多個(gè)輸出通道共享單個(gè)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(gè)輸出軌供電的SIMO設計。 采用SIMO轉換器作為電源拓撲時(shí)，必須考慮多種因素。表4簡(jiǎn)要列出了這種方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 表4.SIMO轉換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
圖4. MAX17270 SIMO轉換器配置為提供三個(gè)輸出軌。
圖5.升壓轉換器LT8336的輸出電壓為24 V。 升壓轉換器 升壓轉換器是一種將輸入電壓提升至更高輸出電壓的電源拓撲。升壓轉換器在微控制器和微處理器中不太常見(jiàn)，但在需要較高內核電壓的應用中可找到其身影。在圖5中，升壓轉換器用于提供高壓精密放大器的24 V輸出軌。 選擇升壓轉換器作為電源拓撲時(shí)，必須考慮若干因素。表5清楚概述了這種方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 表5.升壓轉換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
降壓-升壓轉換器 降壓-升壓轉換器兼具降壓轉換器和升壓轉換器的功能，可以降低或升高輸入電壓以提供穩定的輸出電壓。這種靈活性使其成為電壓需求多變的應用場(chǎng)景的理想選擇。例如，在圖6中，降壓-升壓轉換器用于調節電池堆的輸出電壓，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(shí)，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(shí)，電芯電壓可能會(huì )降至1.5 V至2.7 V。因此，這類(lèi)應用需要降壓-升壓轉換器。 采用降壓-升壓轉換器作為電源架構時(shí)，必須考慮若干因素。表6簡(jiǎn)要總結了這種方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
圖6.降壓-升壓轉換器LTC3114-1配置為提供3.3 V輸出電壓。
圖7.LT8631降壓轉換器性能，由LTpowerCAD® 程序生成。 表6.降壓-升壓轉換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
選擇拓撲時(shí)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(lèi)變化。 ► 輸出電壓：確定微處理器或微控制器所需的內核電壓。某些拓撲結構（如降壓-升壓轉換器）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(xiàn)性穩壓器可能是高性?xún)r(jià)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(guò)適當的布局和濾波來(lái)滿(mǎn)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(huì )經(jīng)歷負載突變，具有快速穩定響應的拓撲對于防止電壓下降或過(guò)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(xiàn)性穩壓器）具有較少的元件，在某些場(chǎng)景中可能更可靠。 ► 環(huán)境條件：考慮設備的工作環(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，穩健性和抗擾度可能更為關(guān)鍵。 實(shí)用的實(shí)施技巧 選擇合適的電源拓撲后，借助以下一些實(shí)用技巧可成功實(shí)施： ► 元件選擇：選擇高質(zhì)量的元件，包括電感、電容和晶體管，以確保系統穩定可靠地運行。 ► 布局和布線(xiàn)：仔細規劃PCB上電源電路的布局和布線(xiàn)。盡量減小環(huán)路面積，并使用適當的接地技術(shù)，以降低噪聲并改善EMC性能。 ► 濾波：根據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定。 ► 保護：實(shí)施過(guò)壓、欠壓和過(guò)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(jìn)行全面測試和特性表征，確保其符合所需的性能規格。 ► 散熱管理：如果設計涉及功耗，應考慮添加散熱器或散熱管理解決方案以防止過(guò)熱。 結語(yǔ) 為微處理器或微控制器選擇正確的電源拓撲，是設計過(guò)程中的重要一步。每種拓撲都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇何種拓撲應根據應用的具體要求決定。為了做出明智的選擇以確保設備可靠高效地運行，應考慮電源效率、輸入電壓范圍和輸出電壓穩定性等因素。 但必須注意的是，實(shí)施階段同樣重要。正確的元件選擇、謹慎的布局布線(xiàn)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(shí)現出色的性能。 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（現已并入ADI公司），2017年11月。 作者簡(jiǎn)介 Jan Michael Gonzales是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應用資深工程師。Jan擁有菲律賓馬尼拉馬普阿大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位和電力電子研究生學(xué)位。在電力電子領(lǐng)域，包括AC-DC和DC-DC電源轉換方面，擁有超過(guò)13年的工程經(jīng)驗。Jan于2020年加入ADI公司，目前從事工業(yè)應用電源解決方案的精密技術(shù)研發(fā)工作。 Ralph Clarenz Matociños畢業(yè)于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子領(lǐng)域，包括電池管理系統開(kāi)發(fā)和DC-DC電源轉換方面，擁有一年多的工程經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識。 Christian Cruz是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應用資深工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子和電源控制固件設計領(lǐng)域，包括電源管理解決方案開(kāi)發(fā)及AC-DC和DC-DC電源轉換方面，擁有14年的工程經(jīng)驗。Christian于2020年加入ADI公司，目前從事云計算和系統通信應用的電源管理研發(fā)工作。 |
