芯耀
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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
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。本文強調了高效可靠的功率轉換在信號鏈中的重要作用，并著重說明了此類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)定且精確調節(jié)的電源才能實現(xiàn)出色性能。本指南同時還強調，選擇合適的電源架構對于確保系統(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，幫助工程師在設計過程中做出明智的決策。
內核電壓穩(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核電壓穩(wěn)定的重要性。
- 性能：穩(wěn)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(wěn)定行為。
- 電源效率：實現(xiàn)良好調節(jié)的內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)療設備和航空航天系統(tǒng)等敏感應用至關重要。
- 抗擾度：適當?shù)碾妷赫{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通過快速開關功率器件（通常是晶體管），將輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。它能實現(xiàn)精確的電壓調節(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。降壓轉換器的工作原理是開關器件（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，必須權衡其優(yōu)缺點。表3總結了這些關鍵考慮因素。
表3.降壓轉換器的優(yōu)點和缺點
SIMO轉換器
SIMO是一種創(chuàng)新的電源管理技術，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設計。
采用SIMO轉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轉換器的優(yōu)點和缺點
圖4. MAX17270 SIMO轉換器配置為提供三個輸出軌。
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，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，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.升壓轉換器的優(yōu)點和缺點
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(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-升壓轉換器用于調節(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-升壓轉換器。
采用降壓-升壓轉換器作為電源架構時，必須考慮若干因素。表6簡要總結了這種方案的優(yōu)點和缺點。
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：考慮設備的工作環(huán)境。對于電池供電的應用，能效至關重要，而對于工業(yè)應用，穩(wěn)健性和抗擾度可能更為關鍵。
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，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。
結語
為微處理器或微控制器選擇正確的電源拓撲，是設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。
