现代电子系统中电源技术的发展和应用

现代电子系统中电源技术的发展和应用

引 言
    绿色、环保、高效、节能，已成为当代电子系统发展的主流和趋势。在现代电子系统中，数据处理速度越来越快，数据流量和存储空间越来越大，系统稳定性、可靠性越来越高，而电子设备体积不断减小，集成度不断增高，功耗不断降低。特别是现代手持便携设备和远程控制设备不仅要求电子系统集成度高、体积小，而且要求整个系统功耗低，电池在相同体积和功耗下待机时间更长。电子设备外形变得越来越简单，终端产品变得更加小巧，集成电路生产商需要设计出更加紧凑小巧的封装。由于系统内处理器、存储器及其他集成电路数量不断增加，产生更多热量，使热管理在系统设计中变得非常重要。这些因素给集成电路生产商和电子设计工程师带来了更多挑战。

1 电源技术的发展趋势和种类
1．1 电源技术的发展趋势
    现代电源起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流技术，其发展先后经历了整流时代、逆变时代和变频时代，推动了电源技术在许多新兴领域的应用。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的以功率MOSFET和IGBT为代表的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电源技术已经进入现代电源技术的新兴时代。
    现代电源技术的发展趋势：
    ①绿色化、小型化。低功耗、低污染、低电流、高效率、高集成已成为现代电源技术的主流，电源技术的发展同时也依赖于电子元器件和集成电路的发展。
    ②模块化、智能化。电源技术模块化包括功率单元模块化和输出单元模块化。新型开关电源将其功率开关管和各种输出保护模块集成在一起，使开关电源的体积进一步缩小。输出稳压电路模块化，使电源在实际应用中更加灵活、方便、智能。
    ③数字化、多元化。随着数字技术的发展和成熟，现代电源更多地向数字化方向发展。采用数字技术可减小电源高频谐波干扰和非线性失真，同时便于CPU数字化控制。
    现代电源具备良好的EMC特性，自身产生的高频谐波功率逐渐减小，降低了对环境的“污染”，同时增强了电源本身抗干扰性能。
1．2 电源种类
    按输入一输出状态分类：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。
    按工作状态分类：线性电源、开关电源、二极管稳压电源。
    按同负载连接稳压方式分类：串联型稳压电源、并联型稳压电源。
    按输出电压调整方式分类：固定输出电源、可调电源。随着电源技术的发展，电源分类和界定越来越模糊。例如，LA76810电视接收机集成音频功放AN5265采用9 V直流供电，而电视接收机并不是采用9 V直流直接输出或稳压块7809输出，而是采用7812输出后由9 V稳压二极管稳压并给集成电路供电。
    对于固定电源与可调电源，78系列和79系列是电子工程师常用的固定电压稳压输出集成电路，317和337是常用可调电压输出集成电路。而现在1085可以是3．3 V输出，也可以是1．7 V输出，只需改变集成电路外围电阻。
    开关电源以其体积小、效率高、环路PWM控制、输出短路和过载保护等特性已占领了电源市场，线性电源已经完成了使命，逐步退出历史舞台。

2 低功耗管理策略
    随着IT技术发展，电子信息行业从模拟时代过渡到数字时代，从分离晶体管时代过渡到集成电路时代，从纯硬件电路过渡到软硬件相结合、操作系统可裁减的嵌入式系统。数字技术高速发展，对电子系统低能耗要求越来越高，电子工程师想出各种解决方法和策略。
    (1)OPU低功耗电源策略
    现代CPU为降低系统功耗，无论在软件上还是硬件上都支持电源低功耗管理模块APM(Advanced Power Management)、高级配置和电源接口ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)，对多个电源转换模块和外部元件通过数字内核和内部通信接口进行控制，以提供更高的系统性能、可靠性以及更低的功耗；对APM和ACPI进行创新和运用，并引入CPU系统内核和I／O中，特别是嵌入式系统和FPGA系统。
    例如，FPGA系统电源功耗一般取决于以下因素：内部资源使用频率、工作时钟频率、输出变化频率、布线密度、I／O电压等。不同应用电源实际功耗相差非常大，根据采用FPGA系列不同、内核和I／O供电电压不同，可能是3．3 V、2．5 V、1．8 V和1．5 V。

  (2)静态与动态电源低功耗策略
    静态电源策略是指系统在初始化过程中的电源低功耗管理技术，其功能和管理模式随系统初始化确定。动态电源策略是指CPU运行过程中的低功耗技术。调整程序运行频率，当系统忙时提高CPU运行速度，系统空闲时使CPU处于睡眠状态；降低I／O口的平均电流和电压，在电流和压电不变时降低供电时间，从而降低系统功耗。
    静态电源管理策略在初始化过程中确定，在实际应用中局限性很大；而动态电源管理技术是在程序运行过程中动态控制整个系统能耗，并采用各种措施降低功耗，应用更加广泛。
3 低功耗集成电路的应用
3．1 78和79系列电源稳压集成电路
    78和79系列分别是正电压和负电压串联稳压集成电路，体积小、集成度高、线性调整率和负载调整率高，在线性电源时代占领了很大市场。LM7805为固定+5 V输出稳压集成电路(采取特殊方法也可使输出高于5 V)，最大输出电流为1 A，标准封装形式有TO-220、TO-263。78和79系列集成电路应用相对固定，电路形式简单，只是正负直流电压输出时应注意变压器最小输出功率和最小输出电压，如图1所示。

    根据能量守恒原则，在理想状态下电源输入输出功率相等。在实际中，考虑铜损和其他元器件的损耗，电源的输出功率小于输入功率。78系列和79系列稳压前后直流电压差为2～3 V。由于为正负双电源输出，稳压前后直流电压差应为5～6 V。
3．2 LDO
    LDO(LOW DropOut regulator，低压差线性稳压技术)：相对传统线性稳压技术，LDO输入和输出之间电压差更低。传统78系列输入输出电压差2～3 V才能正常工作，而低压差使输入输出电压差为1．7 V即可正常工作。例如，5 V输入、3．3 V输出，3．3 V输入、1．7 V输出。这使输入输出间差值范围更小，集成电路功耗更低。典型应用为LM1085和LM1117。

3．2．1 LM1085应用
    LM1085是一款典型的低压差线性稳压集成电路，输入输出电压差低至1．5 V，输出电流可达3 A。LM1085可以固定输出3．3 V、5 V、12 V，也可通过引脚外围电阻设置调整输出，输出调整范围为1．2～15 V。LM1085-3．3、LM1085-5、LM1085-12为三款低压差(LDO)固定输出集成电路，固定输出分别是3．3 V、5 V、12 V，固定输出方式硬件电路简单，用法也相对固定，同78系列基本相同。封装形式有TO-220、TO-263，如图2和图3所示。

    LM1085-ADJ为输出电压可调节低压差集成电路，输出调整范围为1．2～15 V，可以通过调节R1和R2阻值比值的大小确定输出电压，如图4所示。

    Uo=VREF(1+R2／R1)+IADJR2
    其中Uo为输出电压，单位为V；VREF为基准电压，VREF=1．25 V；IADJ为基准电流，IADJ最大值为120μA(通常在计算中忽略)。
    实际应用中为了确定R1和R2阻值比值的大小，通常将R1固定，调节R2，达到调节输出电压的目的。因此在实际应用中上式可为：
    Uo=1．25·(1+R2／R1)
    LM108x系列集成电路型号较多，不同型号输出电流不同，例如LM1084输出电流达5 A，LM1086输出电流为1．5 A，其用法与LM1085相同。
3．2．2 LM1117应用
    LM1117也是一款低压差集成电路，可固定输出电压也可调节输出电压，输出电压范围为1．5～15 V，封装形式和用法LM1085基本相同，其不同点有：
    ①输出固定电压值较多，电压低，精度高。固定输出集成电路有LM1117-1．5、LM1117-1．8、LM1117-2．5、LM1l17-2．85、LM1117-3、LM1117-3．3、LM1117-3．5、LM1117-5。
    ②功耗低，功率小。LM1117的输出最大电流为800 mA。
    ③可调输出基准电流IADJ不同。
    LM1117输出可调原理与图4所示基本相同，只是IADJ基准电流不同。LM1117基准电流为60 μA，而LM1085基准电流为120 μA，在R1和R2阻值比值计算过程中都可忽略，其他计算方法和硬件电路都相同。
    根据LM1117的特点，输出电压低、功耗小，特别适合现代CPU供电、稳压。例如，FPGA芯片内核和I／O供电不同，甚至I／O之间供电电压不同，Cyclone芯片采用内核供电为1．7 V，I／O供电为3．3 V，通过LM1117-1．8和LM1117-3．3两款芯片，不需任何外围电路即可解决。

结 语
    电子技术的发展使电源技术这一多学科的边缘交叉技术突飞猛进。电源技术的创新，推动电源技术迅速发展，将为生产力的发展和科学技术的进步做出更大的贡献。电源技术和电源设备即将成为新世纪电子设备的主导技术和主流产品。