微處理器和微控制器常用的電源拓?fù)浒ň€性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源(SMPS)。降壓、升壓、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和SIMO轉(zhuǎn)換器都屬于SMPS。每種拓?fù)涠加衅鋬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。下面深入探討這些拓?fù)?，以便全面了解這些拓?fù)洹?

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器是簡單易用、高性價(jià)比的解決方案，適合低功耗應(yīng)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(yīng)用中效率低下。圖1顯示了一個(gè)線性穩(wěn)壓器。

使用LDO穩(wěn)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SMPS通過快速開關(guān)功率器件(通常是晶體管)，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。它能實(shí)現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)，充分降低功耗。圖2展示了降壓、升壓和降壓-升壓拓?fù)洹?

圖2.降壓、升壓和降壓-升壓拓?fù)涫侨N基本SMPS拓?fù)?

使用SMPS時(shí)，應(yīng)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的類型

降壓轉(zhuǎn)換器

降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的工作原理是開關(guān)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(zhuǎn)換器，它能高效地將高壓軌轉(zhuǎn)換為3.3 V。

圖3. LT8631 微功耗降壓轉(zhuǎn)換器解決方案。

選擇降壓轉(zhuǎn)換器作為電源拓?fù)鋾r(shí)，必須權(quán)衡其優(yōu)缺點(diǎn)。表3總結(jié)了這些關(guān)鍵考慮因素。

表3.降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

SIMO轉(zhuǎn)換器

SIMO是一種創(chuàng)新的電源管理技術(shù)，可通過單個(gè)電感提供多個(gè)穩(wěn)壓輸出。2傳統(tǒng)電源管理電路通常需要為每個(gè)輸出配備單獨(dú)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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。

采用SIMO轉(zhuǎn)換器作為電源拓?fù)鋾r(shí)，必須考慮多種因素。表4簡要列出了這種方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表4.SIMO轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

圖4. MAX17270 SIMO轉(zhuǎn)換器配置為提供三個(gè)輸出軌。

圖5.升壓轉(zhuǎn)換器LT8336的輸出電壓為24 V。

升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器是一種將輸入電壓提升至更高輸出電壓的電源拓?fù)?。升壓轉(zhuǎn)換器在微控制器和微處理器中不太常見，但在需要較高內(nèi)核電壓的應(yīng)用中可找到其身影。在圖5中，升壓轉(zhuǎn)換器用于提供高壓精密放大器的24 V輸出軌。

選擇升壓轉(zhuǎn)換器作為電源拓?fù)鋾r(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(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器兼具降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)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(yīng)用場景的理想選擇。例如，在圖6中，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用于調(diào)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(dāng)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(dāng)電池堆處于充電模式時(shí)，電芯電壓可能會降至1.5 V至2.7 V。因此，這類應(yīng)用需要降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器作為電源架構(gòu)時(shí)，必須考慮若干因素。表6簡要總結(jié)了這種方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

圖6.降壓-升壓轉(zhuǎn)換器LTC3114-1配置為提供3.3 V輸出電壓。

圖7.LT8631降壓轉(zhuǎn)換器性能，由LTpowerCAD® 程序生成。

表6.降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

選擇拓?fù)鋾r(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?fù)洌Q于多種因素。以下是一些重要考慮因素：

? 電源效率：確定設(shè)備的電源要求，選擇高效的拓?fù)湟员M可能減少能耗和發(fā)熱。

? 輸入電壓范圍：考慮在設(shè)備工作環(huán)境中可能存在的輸入電壓范圍。確保所選的拓?fù)淠軌蜻m應(yīng)此類變化。

? 輸出電壓：確定微處理器或微控制器所需的內(nèi)核電壓。某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如降壓-升壓轉(zhuǎn)換器)在這方面更加靈活。

? 尺寸和重量限制：如果應(yīng)用有空間或重量限制，應(yīng)選擇能夠提供緊湊型、輕量級解決方案的拓?fù)洹?

? 成本：評估項(xiàng)目的成本約束。對于低功耗應(yīng)用，線性穩(wěn)壓器可能是高性價(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(yīng)用需要符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)確保所選拓?fù)淇梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)牟季趾蜑V波來滿足這些要求。

? 瞬態(tài)響應(yīng)：考慮電源的瞬態(tài)響應(yīng)。微處理器和微控制器往往會經(jīng)歷負(fù)載突變，具有快速穩(wěn)定響應(yīng)的拓?fù)鋵τ诜乐闺妷合陆祷蜻^沖至關(guān)重要。

? 可靠性：評估應(yīng)用的可靠性要求。某些拓?fù)?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(shè)備的工作環(huán)境。對于電池供電的應(yīng)用，能效至關(guān)重要，而對于工業(yè)應(yīng)用，穩(wěn)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?fù)浜螅柚韵乱恍?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(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

? 布局和布線：仔細(xì)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(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)，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(hù)：實(shí)施過壓、欠壓和過流保護(hù)機(jī)制，以保護(hù)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(guī)格。

? 散熱管理：如果設(shè)計(jì)涉及功耗，應(yīng)考慮添加散熱器或散熱管理解決方案以防止過熱。

結(jié)語

為微處理器或微控制器選擇正確的電源拓?fù)?，是設(shè)計(jì)過程中的重要一步。每種拓?fù)涠加懈髯缘膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇何種拓?fù)鋺?yīng)根據(jù)應(yīng)用的具體要求決定。為了做出明智的選擇以確保設(shè)備可靠高效地運(yùn)行，應(yīng)考慮電源效率、輸入電壓范圍和輸出電壓穩(wěn)定性等因素。