张海鹏的电子设计笔记

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以下内容均为我工作期间从事电子设计的经验笔记,发布出来给大家做个参考。未必是解决您实际问题的最优解。如果您有更好的思路,欢迎与我们分享。部分内容引自维基百科。

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电源 Power Supply

在实际的电子设计中,一个系统里往往有需要不同电压供电的元器件。如何从单一的电源出发,提供5V,3.3V,12V甚至-5V等的电压,就是我们首先需要考虑的问题。

通常来说,给我们的系统供电,要考虑输入电压、输入电流这两个参数是多少。如果我们选择某些电压调节器件,还要考虑该电压调节器件能否在给定的输入电压下工作,提供的电流能否足够IC或其他元器件使用,会不会造成发热问题,会不会造成电磁发射问题,等等。

常见的电压调节器件往往有以下几种:

线性稳压器 Linear regulator

线性电压调节器(英语:Linear regulator),又称线性稳压器、线性调节器,是一种元件,作用是保持电压稳定。稳压器的电阻会因应负载及输入电压的变化,以达至输出电压稳定不变。其动作尤如一不停自动调节阻值的可变电阻,使之与负载得出的分压保持固定,而过程中因输出与输入电压差而多出的能量则以发热的形式消散掉。(引自维基百科线性电压调节器

线性稳压器是最简单也是最常见的一种电压调节器件。价格低、体积小、便于使用,是它的三大优点。但它的缺点往往也不能忽视:首先,线性稳压器的输出电压Vout一定小于线性稳压器的输入电压Vin。其次,它是通过调节内部电阻的方式来保持电压稳定不变,而输入功率和输出功率保持守恒,所以多余的能量是通过电阻发热的方式耗散掉的。这就导致了线性稳压器的效率注定不高。最后,线性稳压器有一个叫电压差的参数Vdropout。这个参数是指,输出电压与输入电压的差值最少要大于Vdropout。举例说明,在德州仪器LM317的数据表中,在6.3节 Recommended Operating Conditions中明确写出,Input-to-output differential voltage最小值建议为3V。这就是说,当你的目标输出电压(比如3.3V)比输入电压(比如5V)小不到3V时,就可能没有办法实现稳定的电压输出。

若负载超出线性稳压器设计的承受能力时,可能会导致稳压器永久损坏,为了避免损坏稳压器,线性稳压器可以但不一定俱备以下保护功能,包括:

  • 电流限制,例如恒流限制(constant current limiting)及递减电流限制(foldback current limiting)
  • 过温度保护(或称热关断)
  • 安全工作区保护,即限制功率晶体运作于预定的电流及电压的工作条件之内,以确保能正常工作及不会导致损坏。这些工作条件包括连续及瞬间脉冲状态下的最高电压、电流、温度、功率。

选择线性稳压器需要考虑的指标有Vin-Vout, Ioutput max。当输入电压变化时还会发生涟漪Ripple现象。涟漪现象可以通过电路优化解决,例子如下图所示:

常见的线性稳压器有LM317(用于正电压),LM337(用于负电压)等。

低压差稳压器 LDO

低压差稳压器(Low-DropOut regulator),又称低压差线性稳压器、低压降稳压器,是线性直流稳压器的一种,用途是提供稳定的直流电压电源。相比于一般线性直流稳压器,低压差稳压器能于更小输出输入电压差的情况下工作。

相对于普通的线性稳压器,LDO的改进在于Vdropout的大幅降低。市面上也有大量固定输出电压的LDO产品。需要考虑的参数主要是输入电压范围,最大输出电流,休眠电流等。

降压-升压变换器 buck–boost converter

降压-升压变换器与线性稳压器不同,它是一种开关电源。也就是说,降压-升压变换器不是通过改变内部电阻的方式调节输出电压,而是通过快速开关内部晶体管的方式来调节电压。因此,降压-升压变换器的输入电压可以低于输出电压,也可以高于输出电压。与线性稳压器相比,降压-升压变换器的电源转换效率更高,往往也不会造成严重的发热问题。但需要注意的是,快速开关晶体管时会造成电磁发射的问题。所以往往要把降压-升压变换器放在远离易感元件的地方,或者进行相应的EMC处理。

顾名思义,降压-升压变换器可以实现两个功能:降压buck和升压boost。在选择元器件时,可以根据电路的实际需要,选择降压buck元件或升压boost元件,抑或选择兼具降压和升压两个功能的元件。比如,在锂电池供电需要提供3.3V电压时,我们可以选择德州仪器TPS6300。这样不论锂电池电量充足(3.7V)或者电量不足(约为3V)时,我们都可以实现3.3V左右的稳定输出。

选择降压-升压变换器时需要考虑的参数主要有输入电压范围、输出电压范围、输出电流、效率、休眠电流等等。德州仪器、美信集成(Maxim Integrated)等大厂都提供了大量的降压-升压转换器产品可供选择。

电源管理芯片 Power Management IC(PMIC)

PMIC是一种特定用途的集成电路,其功能是为主系统作管理电源等工作。PMIC常用于以电池作为电源的装置,例如移动电话或便携式设备。由于这类装置一般有多于一个电源(例如电池及USB电源),系统又需要多个不同电压的电源,加上要控制电池的充放电,以传统方式满足这样的需求会占用不少空间,同时增加产品开发时间,因此造就了PMIC的出现。

PMIC通常提供多于一种功能,这些功能包括:

  • 直流-直流转换器
  • 低压差稳压器(LDO)
  • 电池充电器
  • 电源选择
  • 动态电压调节
  • 各电源开启、关闭次序控制
  • 各电源电压检测
  • 温度检测
  • 其他功能

由于需要与主系统协调,因此需要与主系统沟通的讯号接口,一般会使用I²C 或SPI等串联接口,部分功能较简单的PMIC会直接以独立讯号接至MCU的GPIO。

以美信集成MAX6775–MAX6781系列举例:MAX6779, MAX6780和MAX6781是双通道的电池监控芯片,可以独立地设置两个不同的监控电压。一般可以用其中一个~LBO1低电压作为电量低的指示,点亮LED提示灯;用另外一个低电压~LBO2作为电池彻底没电的指示,关闭MCU等相关设备。 MAX6777/8则是可调节迟滞效应的电源监控芯片。我们可以通过设置电阻分压的方式设置两个监控电压,在监控到电池电压过低的时候~LBO低电压信号输出为低,关闭所有设备,直到重新充电至电压高于某个电压的时候再重新给其他设备Enable。

 

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