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。
普通线性稳压器价格低，静态电流大，效率较低，最小输入/输出电压差较大，只能用于降压且对电源效率和体积没有严格要求的场合，如充电器、实验仪器等。 1.1.2低压差线性稳压器
低压差线性稳压器的工作原理与普通线性稳压器的原理完全一样，都是通过控制调整管上的压降变化来稳定输出电压。二者的差异在于采用的调整管结构的不同，从而使LDO比普通线性稳压器压差更小，功耗更低。
需要说明的是，实际的线性稳压器还应当具有许多其他的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，很多芯片的调整管采用MOSFET。
当用在降压并且输入/输出电压很接近的场合，选用LDO稳压器是一种不错的选择，根据上文线性稳压器效率的分析可知，当输入/输出压差较小时，LDO可以达到较高的效率。因此，在把锂离子电池电压转换为3 V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽然电池的能量最后有10%不能使用，LDO稳压器仍然能够保证电池较长的工作时间，同时噪音较低。 此外，LDO具有极高的信噪抑制比，非常适合用做对噪声敏感的小信号处理电路供电。同时，由于没有开关时大的电流变化所引发的电磁干扰，所以便于设计。很多手机、便携式设备等对干扰敏感的设备很多都采用多路输出的LDO用作系统的电源芯片。 1.2开关电源 1.2.1电容式开关电源
电容式开关电源（即电荷泵）基本工作原理是利用电容的储能的特性，通过可控开关（双极型三极管或者MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。电容式开关电源可以用于升压和降压。
其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数（0?5、2或3）倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。 ① 转换效率与输入电压密切相关。电荷泵的近似效率计算公式：
其中：Vout为输出电压；Vin为输入电压；n为倍率。
由式（3）可以看出，当输出电压和倍率一定时，输入越小，电荷泵的效率越高。电荷泵效率一般可以达到75%以上。
输出电压一般是输入电压的倍数，它能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压，常见的有±0.5倍压、±1倍压、±1.5倍压、±2倍压、±3倍压。当然，一些新型的片子也支持输出电压可调，如MAX1759，输入电压范围是1.6～5.5 V，输出可固定为3?3 V或在2?5～5?5 V内可调，可提供最大100 mA的输出电流。 输出电流较小，一般在300 mA以下。 设计简捷，占用印制板面积小，容易使用。 低EMI和输出纹波。 价格中等。
对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，而且在减少能耗延长电池寿命等方面起到极大的作用。在手机和其他的一些通信设备中，常用电荷泵来驱动白光LED用作LCD背光电源。
1.2.2电感式开关电源
利用电感的储能的特性，通过可控开关进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电感里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。 电感式DC-DC的特点有：
功耗小，效率高。它通过使用低电阻开关和磁存储元件，极大地降低了转换过程中的功率损失，其效率可高达到96%。
稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。
电路形式灵活多样。有自激式和他激式，有调宽型（PWM）和调频型（PFM），有单端式和双端式等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。
可以输出大电流，静态电流小。如Linear Technology的LTC3417，其中的一路可以输出最大1?4 A的电流，停机电流小于1 μA。 电感式开关电源存在较大的输出纹波和开关噪音。