5V到3.3V的几种电源方案

本文给出5V到3.3V的电源设计方案。一般电流要求的电源可以用简单的线性稳压器。较高电流要求需要开关稳压器方案。成本敏感的应用需要简单的分立二极管稳压器。三种电源方案的比较见表1。

采用LDO的5V到3.3V电源

标准3端线性稳压器压降通常为2.0~3.0V。5V到3.3V变换排除采用这种3端线性稳压器。低压降(LDO)稳压器的压降为几百毫伏，所以适合于此应用。图1示出基本的LDO系统。LDO由4个主要元件组成：

·通路晶体管；

·带隙参考；

·运放；

·反馈电阻分压器。

在选择LDO时，重要的是要了解LDO间的差别。器件静态电流、封装尺寸和类型是器件的重要参量。针对专门应用评估每个参量会获得最佳设计。

LDO的静态电流IQ是器件无载工作时的地电流IGND。IGND是LDO用来执行稳压工作的电流。LDO的效率当IOUT>>IQ时可近似于输出电压与输入电压之比。然而，在轻载时，计算效率必须考虑IQ。具有较低IQ时LDO有较高的轻载效率。轻载效率的增大对LDO性能有负面影响。具有较高静态电流的LDO能快速响应瞬时线路和负载变化。

采用齐纳二极管的低成本电源方案

用1个齐纳二极管和1个电阻器可以构成一个简单的低成本3.3V稳压器。在很多应用中，此电路是替代LDO稳压器的一种经济方案。然而，这种稳压器比LDO更敏感于负载。另外，它的效率较低，功率总是消耗在电阻R和二极管D上。R限制到二极管和MCU的电流，因而MCU的VDD保持在可允许的范围内。因为跨接在齐纳二极管上的反向电压随流经的电流变化而变化，所以要仔细地考虑R值。在最大负载(MCU正在运行)时R的值必须使跨接在R上的压降足够低以使MCU有足够电压来工作；在最小负载(MCU处于复位状态)时R的值必须使VDD不超过齐纳二极管的电源额定值或MCU的VDD最大值。

采用三个整流二极管的低成本电源

也可以用三个正向串联开关二极管降压为MCU供电(图2)。这比齐纳二极管稳压器更经济。这种电路吸入的电流比用齐纳二极管要小。根据所选二极管正向压降是流经二极管电流的函数。电阻R1保持MCU的VDD电压不超过最小负载(当MCU处于复位或休眠状态时)时的最大VDD。所选二极管D1-D3必须在最大负载(MCU处于运行状态)时跨接在D1-D3上的压降足够小，以满足MCU最小VDD要求。

采用开关稳压器的电源方案

图3所示降压开关稳压器是一种电感器基变换器，用于降压输入电压源到较低的输出电压。控制MOSFET Q1的导通时间可实现输出调整。由于MOSFET是处于低或高电阻状态(分别为ON或OFF)，所以高的源电源可以非常有效地变换到较低的输出电压。

在Q1两个状态(ON和OFF)期间平衡电感器的电压一时间可以建立输入和输出之间的关系：

(VS-VO)×ton=VO×(T-ton)

其中T=ton/Duty-Cycle

MOSFET Q1占空比为：

Duty-CycleQ1=VO/VS

电感器值的选择原则是：所选其数值使在电感器中所产生的最大峰一峰值纹波电流等于最大负载电流的10%：

V=L×(di/dt)

L=(VS-VO)×(ton/IO×0.10)

选择输出电容器值的原则是：置LC滤波器特性阻抗等于负载阻抗。这使得工作在满载和负载突然去除时所产生的电压过冲在可接受的范围内。

ZO=

C=L/R2=(IO2×L)VO2

D1二极管选择原则是：所选器件有足够的电流额定值来处理脉冲周期放电期间的电感电流。