嵌入式系统电源设计决巧,搞定电压转换!
高效能的嵌入式系统电源电路设计一般比较复杂,设计人员在设计独特的多重电压级时需满足精准的电压、电流、纹波、噪声滤波、同步化、软启动和电源分隔等要求。本文根据硬件设计大侠在一些嵌入式系统电源电路设计技巧,整理出嵌入式系统电源设计秘籍,9大电压转换诀窍!奉献给EEPW网友们,在嵌入式电源电路的设计中好好把握,也让大家节省设计所需的宝贵时间。
1.高瞻远瞩,需细思量:FPGA系统,DSP系统,包括现在风头正劲的ARM为主的32位微处理器嵌入式系统都是多电源低电压供电。此外,对于采用电池供电的便携式嵌入式系统的电源来说,还要有电源管理的考虑。
嵌入式系统电源设计的好坏直接决定了系统设计的成败。出现电源设计问题的原因一方面是由于设计者硬件设计经验不足;另一方面是集成稳压芯片品种繁多、手册说明不规范,特别是有些厂商LDO,以及DC-DC转换器的说明使用,让人似懂非懂。
2.知己知彼,掌握秘籍:
嵌入式系统电源一般有这么几种类型的电源引脚:用于向内核供电,一般为3.3V,1.8V;分别给PLL、振荡器、复位电路,包括ADC部分供电,一般为3.3V,2.5V,2.0V,1.8V,1.5V,1.2V等;分别用于给外设I/O口线、USB收发器以及外部总线接口I/O口线供电,一般为3.3V,2.5V,1.8V等。系统的键盘、显示电路的供电电压需要+5V电源。通过对整个控制系统的控制要求和性能进行分析,一般系统的负载电流大约为3A以上,一般的系统需要使用至少3组以上的电源供电。
随着尺寸的减小,晶体管击穿电压变得更低,最终,当击穿电压低于电源电压时,就要求减小电源电压。因此,随着速度的提高和复杂程度的上升,对于高密度器件而言,不可避免的后果就是电源电压将从5V降至3.3V,甚至1.8V,1.2V等。
因此,作为系统电源设计人员,面临着连接5V和3.3V,1.8V等电压转换的的任务。这个任务不仅包括逻辑电平转换,同时还包括为3.3V系统供电、转换模拟信号使之跨越1.2V/1.8V/3.3V/5V的障碍。
秘籍:看懂下面的图1,神马多嵌入式电源电压转换就是浮云!
图1:不同电压电平转换的阀值
图1显示了不同电源电压和器件技术的阈值电平。为了成功连接两个器件,必须符合以下要求:
①.驱动器的VOH必须高于接收器的VIH。
②.驱动器的VOL必须低于接收器的VIL。
③.驱动器的输出电压不得超过接收器的I/O电压容差。
3.九大诀窍,分而治之:
①5V至3.3V转换完全可以用LDO稳压器解决
如果电路负载电流不大对效率无要求的设计,可以使用简单稳定的线性稳压器。如果电流需求较高的话,可能就需要开关稳压器解决方案。对成本敏感的应用,也可能需要简单的分立式二极管稳压器。
图2:几种电源性能比较
标准三端线性稳压器的压差通常是2.0-3.0V。要把5V可靠地转换为3.3V,压差为几百个毫伏的低压降(LowDropout,LDO)稳压器,是此类应用的理想选择。LDO内部由四个主要部分组成:1.导通晶体管2.带隙参考源3.运算放大器4.反馈电阻分压器。
诀窍:在选择LDO时,重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数,将会得到最优的设计。如下图采用LM1117-3.3V(AMS1117)供电
图3:低压差LDO的5V到3.3V的典型运用
②从5V电源向3.3V系统供电诀窍—正确使用开关稳压器
如图4所示,降压开关稳压器是一种基于电感的转换器,用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制MOSFETQ1的导通(ON)时间来实现的。由于MOSFET要么处于低阻状态,要么处于高阻状态(分别为ON和OFF),因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。
图4:开关稳压器件在降压电路的使用
诀窍:在选择开关稳压器时,在使用开关稳压芯片时,对于连接两个工作电压不同的器件时,必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后,可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。图5是大侠们所使用的输出、输入阈值一个列表。在设计连接时,请务必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。
图5:典型输出、输入阈值列表
③3V到5V使用MOS管转换方案
如果5V输入的VIH比3.3VCMOS器件的VOH要高,则驱动任何这样的5V输入就需要额外的电路。
图6:所示为低成本的双元件解决方案
诀窍:在选择R1的阻值时,需要考虑两个参数,即:输入的开关速度和R1上的电流消耗。当把输入从0切换到1时,需要计入因R1形成的RC时间常数而导致的输入上升时间、5V输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下
式计算:TSW=3xR1x(CIN+CS)。
④3V到5V可以尝试用电压比较器。如图7:
图7:3V到5V使用电压
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