浅谈嵌入式系统电源芯片选型与应用

浅谈嵌入式系统电源芯片选型与应用

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，最后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。反映当代最新技术的先进水平。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，最大电流为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，最小压差均为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

图1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/输出最小压差的要求，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。