基于功率调节技术的嵌入式系统设计

便携式和嵌入式产品空间已经从简单的日子开始，整个系统基础设施基于12 V模拟传感器和5 V逻辑电平。随着嵌入式显示器，新传感器，存储器，I/O和先进的低功耗控制器的使用越来越多，大多数嵌入式系统现在需要各种各样的电源域，其中可能包括0.8到1.8 V，2.3 V，2.7的混合电源。 V，3.3 V，5 V和12 V电源。

外部电源变压器仅提供一个电压电平，因此必须在PCB上生成其余电压。这通常使用许多不同的单独功率调节器或单个更复杂的功率管理IC（PMIC）来完成。这些IC的选择基于电压输出，支持的电流水平以及设计的热运行条件。

为什么要多个电源？

今天的嵌入式系统通常采用多种技术设计。大多数设计都包含MOS，双极，MEMS，TFT-LCD和LED技术等组件。随着工艺和制造规模的扩大，IC的标称工作电压已经下降。每个晶体管的电流量也下降了;然而，由于大多数设计中每个芯片有更多晶体管，因此净电流消耗不一定下降。在设计中使用混合技术正在推动对多个功率调节器的需求。

多个耗材的第二个驱动器是降低功耗。新设计按功能划分电源域，应用程序需要能够快速切换这些段的电源开关。为了最佳地降低单个模块的功率，最好为它们提供独立的高级功率门控控制和调节。这导致设计具有连接到主电源线的多个本地功率调节器。

这种分段设计流程需要许多不同的功率调节技术。这些包括但不限于线性稳压器，低压差（LDO）稳压器，DC-DC转换器 - 包括升压，降压和升压降压稳压器 - 以及电荷泵电路。

线性和LDO稳压器

LDO稳压器的基本功能正如其名称所暗示的那样：一个电平的输入电压有一些变化，并产生另一个电平的输出，该输出电压比输入电平更精确地保持该值。大多数线性和LDO稳压器产生的输出电压小于或等于输入电压。这些稳压器利用外部电阻对和保持电容来帮助设置和稳定输出电平。

如图1所示，典型的线性稳压器（Fairchild Semiconductor的LP2951）包括一个关断控制器。线性稳压器通常用于常开应用。移动设备功能的增加要求功率控制可切换。在LP2951中，稳压器的输出在关断信号为低电平时可用，当输出电压超过由输入电压定义的阈值时，输出变为“关断”或高阻态，并且不提供任何输出电流。

图1：飞兆半导体公司的LP2951 LDO稳压器框图（由Fairchild提供）。该稳压器是具有关断功能的PMIC的最小引脚配置。线性和LDO稳压器往往是三到八个引脚，适用于TO-92，TO-220和SO等小尺寸封装。由于器件很小，它们受到内部设计的热限制。图2显示了器件的典型应用连接，它需要最少的外部元件。 LPC2951可通过外部电阻设置输出电压。这些稳压器还提供固定输出电压配置，具有内部电阻设置。线性和LDO稳压器的精度和高稳定性使其成为存储器和显示模块的首选器件，对电源变化具有高灵敏度。

图2：飞兆半导体的LP2951 LDO稳压器应用（由Fairchild提供）。

可调电压输出通常选择用于存储器应用，因为相同的系统和电路板可能包含来自不同速度和性能等级的存储器。这些存储器差异决定了电流消耗和工作电压的要求。可调节的线性和LDO稳压器可以在不同的电路板上实现通用的材料清单，只需对不同应用的无源元件进行少量更改即可。

DC-DC开关降压稳压器

继续使用产生比参考电源低的电压的稳压器，我们提供降压型的有源开关DC-DC转换器。它们使用有源逻辑控制和定时电路来实现高效率（超过90％）。降压调节器尽管效率高且输出稳定，但由于输出电压中存在时钟和开关噪声，因此具有高频纹波。中频输出器件，如飞兆半导体的FAN5358 500 mA降压转换器，采用2 MHz时钟工作。该6引脚器件具有固定的输出电压。该器件具有低（25μA）静态电流，可产生500 mA的1.0至1.8 V稳压输出。器件的框图（见图3）显示了有源功能环路和所需的外部电感器。

图3：飞兆半导体公司的FAN5358降压稳压器框图（由Fairchild提供）。

为了使高电流应用的效率保持在95％的范围内，需要具有可编程开关频率的更复杂的电路功能。飞兆半导体的FAN2103全集成同步降压稳压器适用于显卡和机顶盒应用。该器件具有“电源良好”控制信号;断电，过压，欠压和热保护;和输入欠压锁定控制，以避免损坏芯片和外部组件。所有这些功能都需要一些引脚数和外部元件的成本，如图4所示，它说明了典型的应用配置。

图4：飞兆半导体的FAN2103降压稳压器应用图（由Fairchild提供）。

大型25引脚模塑无引线封装（MLP）使FAN2103的工作温度范围为-40℃至+ 850℃，但该器件需要外部散热器才能在延长工作温度范围的上端工作。该器件具有可编程输出，支持具有已知标称电压的标准IC以及可能具有非标准电压要求的定制芯片。这些高效转换器支持高达24伏的输入电压，因此无需额外的电源管理即可直接从墙上变压器和电源线电源运行。

DC-DC开关升压调节器

Boost调节器主要用于提升3.3至5伏范围内的电池输出。升压调节器使用外部电感器和电容器将电荷和电流转储到电容器中，以实现更高的输出电压。图5显示了飞兆半导体的FAN4860同步升压稳压器框图。

图5：飞兆半导体公司的FAN4860升压稳压器框图（由Fairchild提供）。

像降压转换器一样，升压转换器具有必须考虑的热分量。 FAN4860器件具有电压和热锁定功能，可在必要时关闭它。由于这些调节器倾向于用于小型设备，因此它们通常不与散热器一起使用。因此，电容器和电感器的热稳定性必须符合系统运行环境。

对于短时间内，负载设计人员可能会使用电荷泵来产生增加的电压。电荷泵电路用于瞬态峰值电压和电流应用。它们利用外部电感或电容元件作为电荷存储设备，以在新电平建立时保持额外功率。这允许3.3或5伏系统提供12伏特，例如，持续短时间。与升压和降压调节器不同，它具有较短的启动时间，电荷泵具有每次使用的设置和放电周期。来自电荷泵的功率质量通常是基于阈值而不是调节的，并且随着电流消耗而快速下降。

电源注意事项

尽管它们可能有效，PMIC会耗散功率，从而产生必须从设备传导出的热量。为了补充电源管理，PMIC使用散热器，增加了与系统气流接触的表面积。基于散热器的形状和被冷却的部件的形状，热量散布在多个表面上。

散热器必须与调节器保持高度接触，以帮助引导热量。因此，它们必须具有牢固的机械连接。大多数通过导热粘合剂或螺栓固定机械连接进行连接。为了连接TO-220封装中的标准3端线性稳压器，有许多鳍片形状通过夹子和/或螺栓连接到稳压器的嵌入式电源连接。例如，Aavid Thermalloy的散热器（见图6）的外形符合TO-220封装，并支持单稳压器和双稳压器配置。

图6：Aavid Thermalloy TO-220散热器（由Aavid Thermalloy提供）。

对于采用SO和FlatPack封装的开关稳压器，有像CUI的VHS-45挤压散热器这样的设备。该器件适用于多种FlatPack产品，并通过四个角孔和螺栓安装到PCB上（参见图7）。散热器有多种尺寸的散热片可供选择，具体取决于散热量和可用空气流量。在无风扇移动设备中使用散热器是有限的，因为它们通常需要对流冷却气流而不是被动导电流。

图7：CUI的VHS45挤压散热器（由CUI，Inc提供）。

电池支持

除电源调节外，移动和便携式系统还需要电池管理。此功能包括作为集成功能的电池充电。无论系统是可拆卸电池还是固定电池，现在都需要进行操作充电。此任务对设计人员来说是一个非常大的挑战，因为对状态机功能的影响通常很大。随着嵌入式微控制器和微处理器的兴起，增加电池充电电路现在很简单。 Digi-Key具有用于创建电池电量计的参考设计，其监控电池系统的电力使用和充电控制。