单片机系统电源设计
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模拟部分:对电源的要求不同于数字部分,模拟放大电路和
A/D电路对电源电压的精度、稳定性和纹波系数要求很高,如 果供电电压的纹波较大,回路中存在脉冲干扰,将直接影响 放大后信号的质量和A/D转换精度。一些模拟电路的偏置电压 和基准电压也需要有很高的精度和稳定性。
有些场合需要隔离电源,将信号传输通路完全隔离,以提高系
其工作原理是通过振荡电路和开关管把输入的直流电压转变为
在一些小功率电路中可不采用高频变压器,
而直接对功率ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ关器
件输出的脉冲电压信号进行滤波。
从输入/输出的关系而言,
DC/DC转换器有降压、升压及隔离3种
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形式的电路。
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12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.3 12.3.1 单片机系统电源设 计的考虑因素 线性稳压供电电源 三端固定输出集成 稳压器电源电路 三端可调输出集成 稳压器电源电路 低压差线性稳压器 (LDO)电源电路 DC/DC供电电源 降压型DC/DC电源 电路 12.3.2 升压型DC/DC电源 电路 12.3.3 DC/DC模块电源的 选择与应用 12.4 AC/DC供电技术 12.4.1 AC/DC电源技术 12.4.2 AC/DC模块电源 12.5 基准电源的产生方 法 12.5.1 稳压管基准电压源 电路 12.5.2 集成块基准电压源 电路 习题与思考题
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12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路
图示为采用三端稳压器设计的单片机系统电源电路,可以提供
+5 V的数字电路电源和±15 V的模拟电路电源,注意二者的 “地”电位不同,在PCB电路设计中应遵循单点接地的原则。
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12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路
三端集成稳压器输入/输出电压差在2~3V,
有的要达到4V以上。 有时系统中的输入电压、转换效率、散热条件等难以满足压差 要求, 如电池供电系统利用3.6V产生3V的电压, 压差只有0.6V, 且 转换效率也要求很高, 显然前述三端稳压器难以满足。 低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator, LDO)在逐步取代传 统的线性稳压器。 优点是输出噪声低, 纹波系数小, 电源电压影响小, 负载变化时输 出电压相应变化速度快; 外部元件少(一般是输入/输出端各有1~2 个电容器); 尺寸小; 在输出电流较小时, LDO的成本只有开关电 源成本的几分之一。 缺点是效率相对较低, 会随着输出电压的降低而降低。例如, 某 款LDO稳压器, 在输入电压为3.6V, 输出电压为3V时效率为83%, 而当输出电压差低到1.6V时, 效率降低为43%。此外, LDO稳压 器只能用于降压场合。
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12.3.1 降压型DC/DC电源电路
LM22676的内部结构如图所示。
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12.3.1 降压型DC/DC电源电路
LM22676采用PSOP-8或TO-263封装,如图所示。
典型产品有78xx正电压输出系列和79xx负电压输出系列。 其封装及外形如图所示。正负输出型的引脚排列不同。
78xx系列为:1脚输入, 2脚接地, 3脚输出;
79xx系列为:1脚接地, 2脚输入, 3脚输出。
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12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路
(/SD)是关断引脚, 不使用时需要接到VIN。 (/ERR)引脚在输出电压低于正常值10%时输出低电平。
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12.3 DC/DC供电电源
DC/DC模块是直流-直流转换器,
其功能是:将直流电源电压转 换为与之相同或不同的若干个直流电源电压, 以满足单片机系统 对供电电源降压、升压及隔离的要求。 交流电压, 通过变压器变压之后, 再经过整流、滤波、稳压转换 为直流电压输出。
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12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路
78xx(79xx)系列是固定电压输出型,还有一类三端集成稳压
器是输出可调型,如LM317和LM337。
LM317是正电压输出,其输出电压范围为1.2
~ 37 V。 ~ -37 V。
LM337是负电压输出,其输出电压范围为-1.2
可调型三端集成稳压器输出电流能力根据系列不同可以从
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12.2 线性稳压供电电源
线性稳压电源,
是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。 线性稳压电源是较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压电源 由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部 分组成,有些还包含保护电路、启动电路等部分。 图示为一个比较简单的线性稳压电源 原理图(示意图,省略了滤波电容等 元件),取样电阻通过取样输出电压, 并与参考电压比较,比较结果由误差 放大电路放大后,控制调整管的导通 程度,使输出电压保持稳定。 优点是:反应速度快, 输出纹波较小, 工作产生的噪声低;缺点是:输出电压比输入电压低,效率较 低,负载大时发热量大,间接地给系统增加热噪声。 常用的线性集成稳压器大致可以分为3类:三端固定输出集成稳 压器,三端可调集成稳压器,低压差线性集成稳压器。
要求输入电压比输出电压高出
2~3V,否则就不能正常工作。
78xx(79xx)系列稳压器的优点是使用方便,不需作任何调整,
外围电路简单,工作安全可靠,适合制作通用型、标称输出的 稳压电源。其缺点是输出电压不能调整,不能直接输出非标称 值电压,与一些精密稳压电源相比,其电压稳定度还不够高。
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LM317(正输出型)为:1脚调整,2脚输出,3脚输入; LM337(负输出型)为:1脚调整,2脚输入,3脚输出。
可调型三端集成稳压器的外形(TO-220)和应用电路如图
所示。图中的滤波电容最好采用钽电容,如果采用电解电 容可选10~1000 F。
该电路的输出电压与
输入电压的关系为:
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12.1 单片机系统电源设计的考虑因素
---- A/D转换器分类
单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作,
电源的精度和可靠性等各项指标, 直接影响系统的整体性能。
单片机系统的数字和模拟两部分电路对电源的要求有所不同。 数字部分:以脉冲方式工作,电源功率的脉冲性较为突出,
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12.3.1 降压型DC/DC电源电路
采用LM22676-ADJ设计的降压变换的电源原理图如图所示。
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12.3.2 升压型DC/DC电源电路
一些便携的单片机系统采用电池供电,
在系统内部需要高电压时, 可以采用DC/DC变换器进行升压, 满足系统的要求。
如LED显示器的动态扫描会引起电源脉动。因此,为数字部
分供电要考虑有足够的余量,大系统按实际功率消耗的1.5~2
倍设计,小系统按2~3倍设计。此外,有时还需要多路电源或 DC/DC供电。
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12.1 单片机系统电源设计的考虑因素
例如,
有一单片机系统输入电压范围为直流3~3.6V, 内部某单元 电路需要12V电压, 电流最大为0.2A。可采用升压型DC/DC电源 芯片LM2735X来实现。
输入电压范围为2.7~ 5.5V, 输出电压范围为3~24V, 低端开关电流能力最大为2.1A。外 部元件少, 效率可达90%以上。开关时钟频率有两种, 分别为520 kHz (LM2735X)和1.6MHz(LM2735Y), 由内置振荡器提供。采用 电流模式控制, 内部具有补偿功能、热关断功能和软启动功能, 关断模式下静态电流消耗为80nA。它广泛应用于便携设备和 USB供电设备。
0.1~5 A。例如:
LM317L为0.1
A
LM317H为0.5
LM317为1.5 LM318为5
A
A
A (电压为1.2~32 V) 。
负电压系列与此类似。
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12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路
可调型三端集成稳压器正负电压输出型的引脚排列不同。
12.3.1 降压型DC/DC电源电路
在单片机系统中,
有时需要输入电压为直流14~28V, 输出电压为 直流3.3V, 输出电流为2A的电源。如果采用线性稳压器来实现, 效率太低, 显然是不合适的。因此可利用降压型DC/DC(集成)电 源芯片实现。 LM22676系列稳压器是单片集成DC/DC变换电路芯片, 可用于实 现降压开关稳压电源, 其优良的线性与负载调节特性如下: 输入电压范围为4.5~42V, 可以驱动电流高达3A的负载, 效率可 达90%。 开关时钟频率为500kHz, 由内置振荡器提供。 芯片内部集成了自举二极管, 具有软启动功能, 使稳压器可以 逐步到达初始稳态工作点, 从而降低浪涌电压和电流。 内置热关断和限流功能, 超过150℃的情况下保护芯片。 有使能控制输入端, 可使稳压器休眠至静态电流为25A的待机 状态。
输出电压有5,
6, 9, 12, 15, 18 V和24 V等多种, 如7805, 7905, 7815和7915等。 A;
78xx(79xx)系列的输出电流为1
78Mxx(79Mxx)系列输出电流为0.5 A;
78Lxx(79Lxx)系列输出电流为0.1 A。
78xx(79xx)系列属于线性稳压器,
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第10章 单片机系统
电源设计
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1
本章教学要求 (1)熟悉单片机系统中常用的电源设计 方案。 (2)掌握线性稳压电路设计方法和常用 线性电源器件的使用方法。 (3)了解DC/DC电源设计和使用方法。 (4)了解常用基准电源电路的使用方法。 (5)了解常用电源模块的使用方法。
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12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路
三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器,它将调整、
输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件,只有输入、 输出和公共接地3个引出端,通过外接少量元器件即可实现稳 压,使用非常方便,故称为三端集成稳压器。
LM22676各引脚功能为: BOOT:提供高压侧NFET的触发电压。 NC:未连接。 FB:将输出反馈到内部电压误差放大器。 EN:使能控制,低电平时,稳压器关闭。 GND:接地。 VIN:输入电源电压。 SW:开关输出引脚。
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统的安全性和抗干扰性能。例如,光电耦合器输入/输出电路的
供电,模拟信号隔离放大器输入/输出电路的电源。
如果模拟和数字部分使用同一个电源,会使数字部分产生的高
频有害噪声耦合到模拟部分。因此,在模拟电路和数字电路混
合的单片机系统中,需要注意考虑两种电路独立供电。
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12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路
LDO线性稳压器的种类较多, 如LP3871系列芯片是超低压差 线性稳压器, 输入范围为2.5~7V, 输出电压规格有: 5.0, 3.3, 2.5和 1.8V。在0.8A满载输出时压差为0.24V, 在输出电流为80mA时压差 只有24mV。具有关断和故障输出功能, 关断后静态电流只有10nA, 便于系统内部电源管理。其封装和应用电路如图所示。
A/D电路对电源电压的精度、稳定性和纹波系数要求很高,如 果供电电压的纹波较大,回路中存在脉冲干扰,将直接影响 放大后信号的质量和A/D转换精度。一些模拟电路的偏置电压 和基准电压也需要有很高的精度和稳定性。
有些场合需要隔离电源,将信号传输通路完全隔离,以提高系
其工作原理是通过振荡电路和开关管把输入的直流电压转变为
在一些小功率电路中可不采用高频变压器,
而直接对功率ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ关器
件输出的脉冲电压信号进行滤波。
从输入/输出的关系而言,
DC/DC转换器有降压、升压及隔离3种
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形式的电路。
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12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.3 12.3.1 单片机系统电源设 计的考虑因素 线性稳压供电电源 三端固定输出集成 稳压器电源电路 三端可调输出集成 稳压器电源电路 低压差线性稳压器 (LDO)电源电路 DC/DC供电电源 降压型DC/DC电源 电路 12.3.2 升压型DC/DC电源 电路 12.3.3 DC/DC模块电源的 选择与应用 12.4 AC/DC供电技术 12.4.1 AC/DC电源技术 12.4.2 AC/DC模块电源 12.5 基准电源的产生方 法 12.5.1 稳压管基准电压源 电路 12.5.2 集成块基准电压源 电路 习题与思考题
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12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路
图示为采用三端稳压器设计的单片机系统电源电路,可以提供
+5 V的数字电路电源和±15 V的模拟电路电源,注意二者的 “地”电位不同,在PCB电路设计中应遵循单点接地的原则。
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12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路
三端集成稳压器输入/输出电压差在2~3V,
有的要达到4V以上。 有时系统中的输入电压、转换效率、散热条件等难以满足压差 要求, 如电池供电系统利用3.6V产生3V的电压, 压差只有0.6V, 且 转换效率也要求很高, 显然前述三端稳压器难以满足。 低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator, LDO)在逐步取代传 统的线性稳压器。 优点是输出噪声低, 纹波系数小, 电源电压影响小, 负载变化时输 出电压相应变化速度快; 外部元件少(一般是输入/输出端各有1~2 个电容器); 尺寸小; 在输出电流较小时, LDO的成本只有开关电 源成本的几分之一。 缺点是效率相对较低, 会随着输出电压的降低而降低。例如, 某 款LDO稳压器, 在输入电压为3.6V, 输出电压为3V时效率为83%, 而当输出电压差低到1.6V时, 效率降低为43%。此外, LDO稳压 器只能用于降压场合。
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12.3.1 降压型DC/DC电源电路
LM22676的内部结构如图所示。
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12.3.1 降压型DC/DC电源电路
LM22676采用PSOP-8或TO-263封装,如图所示。
典型产品有78xx正电压输出系列和79xx负电压输出系列。 其封装及外形如图所示。正负输出型的引脚排列不同。
78xx系列为:1脚输入, 2脚接地, 3脚输出;
79xx系列为:1脚接地, 2脚输入, 3脚输出。
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12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路
(/SD)是关断引脚, 不使用时需要接到VIN。 (/ERR)引脚在输出电压低于正常值10%时输出低电平。
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12.3 DC/DC供电电源
DC/DC模块是直流-直流转换器,
其功能是:将直流电源电压转 换为与之相同或不同的若干个直流电源电压, 以满足单片机系统 对供电电源降压、升压及隔离的要求。 交流电压, 通过变压器变压之后, 再经过整流、滤波、稳压转换 为直流电压输出。
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12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路
78xx(79xx)系列是固定电压输出型,还有一类三端集成稳压
器是输出可调型,如LM317和LM337。
LM317是正电压输出,其输出电压范围为1.2
~ 37 V。 ~ -37 V。
LM337是负电压输出,其输出电压范围为-1.2
可调型三端集成稳压器输出电流能力根据系列不同可以从
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12.2 线性稳压供电电源
线性稳压电源,
是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。 线性稳压电源是较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压电源 由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部 分组成,有些还包含保护电路、启动电路等部分。 图示为一个比较简单的线性稳压电源 原理图(示意图,省略了滤波电容等 元件),取样电阻通过取样输出电压, 并与参考电压比较,比较结果由误差 放大电路放大后,控制调整管的导通 程度,使输出电压保持稳定。 优点是:反应速度快, 输出纹波较小, 工作产生的噪声低;缺点是:输出电压比输入电压低,效率较 低,负载大时发热量大,间接地给系统增加热噪声。 常用的线性集成稳压器大致可以分为3类:三端固定输出集成稳 压器,三端可调集成稳压器,低压差线性集成稳压器。
要求输入电压比输出电压高出
2~3V,否则就不能正常工作。
78xx(79xx)系列稳压器的优点是使用方便,不需作任何调整,
外围电路简单,工作安全可靠,适合制作通用型、标称输出的 稳压电源。其缺点是输出电压不能调整,不能直接输出非标称 值电压,与一些精密稳压电源相比,其电压稳定度还不够高。
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LM317(正输出型)为:1脚调整,2脚输出,3脚输入; LM337(负输出型)为:1脚调整,2脚输入,3脚输出。
可调型三端集成稳压器的外形(TO-220)和应用电路如图
所示。图中的滤波电容最好采用钽电容,如果采用电解电 容可选10~1000 F。
该电路的输出电压与
输入电压的关系为:
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12.1 单片机系统电源设计的考虑因素
---- A/D转换器分类
单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作,
电源的精度和可靠性等各项指标, 直接影响系统的整体性能。
单片机系统的数字和模拟两部分电路对电源的要求有所不同。 数字部分:以脉冲方式工作,电源功率的脉冲性较为突出,
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12.3.1 降压型DC/DC电源电路
采用LM22676-ADJ设计的降压变换的电源原理图如图所示。
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12.3.2 升压型DC/DC电源电路
一些便携的单片机系统采用电池供电,
在系统内部需要高电压时, 可以采用DC/DC变换器进行升压, 满足系统的要求。
如LED显示器的动态扫描会引起电源脉动。因此,为数字部
分供电要考虑有足够的余量,大系统按实际功率消耗的1.5~2
倍设计,小系统按2~3倍设计。此外,有时还需要多路电源或 DC/DC供电。
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12.1 单片机系统电源设计的考虑因素
例如,
有一单片机系统输入电压范围为直流3~3.6V, 内部某单元 电路需要12V电压, 电流最大为0.2A。可采用升压型DC/DC电源 芯片LM2735X来实现。
输入电压范围为2.7~ 5.5V, 输出电压范围为3~24V, 低端开关电流能力最大为2.1A。外 部元件少, 效率可达90%以上。开关时钟频率有两种, 分别为520 kHz (LM2735X)和1.6MHz(LM2735Y), 由内置振荡器提供。采用 电流模式控制, 内部具有补偿功能、热关断功能和软启动功能, 关断模式下静态电流消耗为80nA。它广泛应用于便携设备和 USB供电设备。
0.1~5 A。例如:
LM317L为0.1
A
LM317H为0.5
LM317为1.5 LM318为5
A
A
A (电压为1.2~32 V) 。
负电压系列与此类似。
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12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路
可调型三端集成稳压器正负电压输出型的引脚排列不同。
12.3.1 降压型DC/DC电源电路
在单片机系统中,
有时需要输入电压为直流14~28V, 输出电压为 直流3.3V, 输出电流为2A的电源。如果采用线性稳压器来实现, 效率太低, 显然是不合适的。因此可利用降压型DC/DC(集成)电 源芯片实现。 LM22676系列稳压器是单片集成DC/DC变换电路芯片, 可用于实 现降压开关稳压电源, 其优良的线性与负载调节特性如下: 输入电压范围为4.5~42V, 可以驱动电流高达3A的负载, 效率可 达90%。 开关时钟频率为500kHz, 由内置振荡器提供。 芯片内部集成了自举二极管, 具有软启动功能, 使稳压器可以 逐步到达初始稳态工作点, 从而降低浪涌电压和电流。 内置热关断和限流功能, 超过150℃的情况下保护芯片。 有使能控制输入端, 可使稳压器休眠至静态电流为25A的待机 状态。
输出电压有5,
6, 9, 12, 15, 18 V和24 V等多种, 如7805, 7905, 7815和7915等。 A;
78xx(79xx)系列的输出电流为1
78Mxx(79Mxx)系列输出电流为0.5 A;
78Lxx(79Lxx)系列输出电流为0.1 A。
78xx(79xx)系列属于线性稳压器,
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第10章 单片机系统
电源设计
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本章教学要求 (1)熟悉单片机系统中常用的电源设计 方案。 (2)掌握线性稳压电路设计方法和常用 线性电源器件的使用方法。 (3)了解DC/DC电源设计和使用方法。 (4)了解常用基准电源电路的使用方法。 (5)了解常用电源模块的使用方法。
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12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路
三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器,它将调整、
输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件,只有输入、 输出和公共接地3个引出端,通过外接少量元器件即可实现稳 压,使用非常方便,故称为三端集成稳压器。
LM22676各引脚功能为: BOOT:提供高压侧NFET的触发电压。 NC:未连接。 FB:将输出反馈到内部电压误差放大器。 EN:使能控制,低电平时,稳压器关闭。 GND:接地。 VIN:输入电源电压。 SW:开关输出引脚。
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统的安全性和抗干扰性能。例如,光电耦合器输入/输出电路的
供电,模拟信号隔离放大器输入/输出电路的电源。
如果模拟和数字部分使用同一个电源,会使数字部分产生的高
频有害噪声耦合到模拟部分。因此,在模拟电路和数字电路混
合的单片机系统中,需要注意考虑两种电路独立供电。
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12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路
LDO线性稳压器的种类较多, 如LP3871系列芯片是超低压差 线性稳压器, 输入范围为2.5~7V, 输出电压规格有: 5.0, 3.3, 2.5和 1.8V。在0.8A满载输出时压差为0.24V, 在输出电流为80mA时压差 只有24mV。具有关断和故障输出功能, 关断后静态电流只有10nA, 便于系统内部电源管理。其封装和应用电路如图所示。