低电压数字系统电源设计技术
发布时间:2008/5/26 0:00:00 访问次数:769
    
    
    在计算机和通信领域,为了降低系统功耗提高电源效率,系统工作电压越来越低;另外,随着信息技术和微电子工艺技术的高速发展,器件的特征尺寸越来越小,集成电路的电源电压也越来越低。低电压器件的成本更低,性能更优,所以各大半导体公司都将3.3v、2.5v等低电压集成电路作为推广重点,如高端的dsp、pld/fpga产品已广泛采用3.3v、2.5v甚至1.8v、1 5v供电。因此,低电压数字系统的电源设计,是电子工程师面临的严峻挑战。
    1 采用低压差线性稳压器(ldo)
    低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。与传统的线性稳压器相比,它的最大优点是输入输出压差很低。如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2~3v以上,否则不能正常工作。可是5v到3.3v的电压差只有1.7v,所以78xx系列已经不能够满足3.3v或2.5v的电源设计要求。面对这类需求,许多电源芯片公司推出了low dropout regulator,即低压差线性稳压器,简称ldo。当系统中输入电压和输出电压接近时,ldo是最好的选择,可达到很高的效率。这种电源芯片的压差只有1.3~0.2v,可以实现5v转3.3v/2.5v、3.3v转2.5v/1.8v等要求。生产ldo的公司很多,常见的有:maxim、linear(lt)、nationa1 semiconductor、ti等。
    采用max8515作为稳压器,利用一个外部npn晶体管和几只阻容元件可以方便地构成低成本、小尺寸的低压差线性稳压器(ldo),如图1所示。该电路输入电压范围为1.2-2.5v,输出电压为iv。max8515的电源电压不同,r1的阻值就不同。输出电流可达2a。
    
    改变分压电阻r2、r3可以调节输出电压。可参考式(1)选择r2和r3的值。
    
    
    为保证能提供足够的负载电流,可参考式(2)选择电阻r1。
    
    
    出于便携式电子产品布局布线的限制、对噪声敏感的应用及数码相机模块需要特殊电压等原因,分立的ldo仍在市场上顽强生存。ldo的发展方向,首先是高效率,其次是不可避免地朝多功能集成方向发展,甚至被集成到pmu中。如aati推出的aat3223,集成了powerok功能,可监测ldo输出电压,能在输出低于压范围时报警;同时还提供了省电引脚,引脚电压降抵时可使ldo进入关闭模式,从而延长电池寿命。又如安森美推出的以pwm和ldo双模式工作的ncpl 501,在轻载下可由pwm模式转为ldo模式工作,1.8v下的效率为90%以上。
    2采用电感开关型dc/dc转换器
    电感开关型dc/dc转换器又称为开关型稳压器,包括升压、降压、升/降压和反相等几种结构,具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点。随着集成度的提高,许多新型dc-dc转换器的外围电路仅需电感和滤波电容,但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。
    近几年随着半导体技术的发展,表面贴装的电感、电容以及高集成度的电源控制芯片的成本也不断降低,体积越来越小。低导通电阻的场效应管省去了外部大功率场效应管,例如对于3v的输入电压,利用片内沟道场效应管可以获得5v/2a输出。对于中小功率的应用可以使用小型低成本封装。另外,高达lmhz的开关频率能够降低成本、减小外部电感/电容的尺寸。某些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、pfm或者pwm方式选择等。
    ltc3441是一种大电流微功率同步降压一升压dc/dc转换器。它通过对输出开关的正确调相使输入电压可以.高于、低于或等于输出电压,并且这三种条件下操作模式的切换是连续的,所以该器件的输出电压总是能满足应用要求,是在单节锂离子电池应用中的理想选择。ltc3441能在效率高达95%的情况下提供最高1a的输出电流。ltc344l的工作频率在出厂时被调到1mhz。在该器件的mode/sync引脚施加一个两倍于期望开关频率的外部时钟(2.3mhz~3.4mhz),振荡器可以与之同步,同步频率范围是1.15mhz~1.7mhz。ltc3441所进行的高频操作允许采用表面贴装的电感器。为了获得高效率,电感器最好采用高频磁芯材料以减小磁芯损耗由于v1n为电源输入引脚,应用时最好在该脚布置一个至少4.7uf的低esr旁路电容器。ltc3441的典型应用电路如图2所示。
    
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    在计算机和通信领域,为了降低系统功耗提高电源效率,系统工作电压越来越低;另外,随着信息技术和微电子工艺技术的高速发展,器件的特征尺寸越来越小,集成电路的电源电压也越来越低。低电压器件的成本更低,性能更优,所以各大半导体公司都将3.3v、2.5v等低电压集成电路作为推广重点,如高端的dsp、pld/fpga产品已广泛采用3.3v、2.5v甚至1.8v、1 5v供电。因此,低电压数字系统的电源设计,是电子工程师面临的严峻挑战。
    1 采用低压差线性稳压器(ldo)
    低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。与传统的线性稳压器相比,它的最大优点是输入输出压差很低。如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2~3v以上,否则不能正常工作。可是5v到3.3v的电压差只有1.7v,所以78xx系列已经不能够满足3.3v或2.5v的电源设计要求。面对这类需求,许多电源芯片公司推出了low dropout regulator,即低压差线性稳压器,简称ldo。当系统中输入电压和输出电压接近时,ldo是最好的选择,可达到很高的效率。这种电源芯片的压差只有1.3~0.2v,可以实现5v转3.3v/2.5v、3.3v转2.5v/1.8v等要求。生产ldo的公司很多,常见的有:maxim、linear(lt)、nationa1 semiconductor、ti等。
    采用max8515作为稳压器,利用一个外部npn晶体管和几只阻容元件可以方便地构成低成本、小尺寸的低压差线性稳压器(ldo),如图1所示。该电路输入电压范围为1.2-2.5v,输出电压为iv。max8515的电源电压不同,r1的阻值就不同。输出电流可达2a。
    
    改变分压电阻r2、r3可以调节输出电压。可参考式(1)选择r2和r3的值。
    
    
    为保证能提供足够的负载电流,可参考式(2)选择电阻r1。
    
    
    出于便携式电子产品布局布线的限制、对噪声敏感的应用及数码相机模块需要特殊电压等原因,分立的ldo仍在市场上顽强生存。ldo的发展方向,首先是高效率,其次是不可避免地朝多功能集成方向发展,甚至被集成到pmu中。如aati推出的aat3223,集成了powerok功能,可监测ldo输出电压,能在输出低于压范围时报警;同时还提供了省电引脚,引脚电压降抵时可使ldo进入关闭模式,从而延长电池寿命。又如安森美推出的以pwm和ldo双模式工作的ncpl 501,在轻载下可由pwm模式转为ldo模式工作,1.8v下的效率为90%以上。
    2采用电感开关型dc/dc转换器
    电感开关型dc/dc转换器又称为开关型稳压器,包括升压、降压、升/降压和反相等几种结构,具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点。随着集成度的提高,许多新型dc-dc转换器的外围电路仅需电感和滤波电容,但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。
    近几年随着半导体技术的发展,表面贴装的电感、电容以及高集成度的电源控制芯片的成本也不断降低,体积越来越小。低导通电阻的场效应管省去了外部大功率场效应管,例如对于3v的输入电压,利用片内沟道场效应管可以获得5v/2a输出。对于中小功率的应用可以使用小型低成本封装。另外,高达lmhz的开关频率能够降低成本、减小外部电感/电容的尺寸。某些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、pfm或者pwm方式选择等。
    ltc3441是一种大电流微功率同步降压一升压dc/dc转换器。它通过对输出开关的正确调相使输入电压可以.高于、低于或等于输出电压,并且这三种条件下操作模式的切换是连续的,所以该器件的输出电压总是能满足应用要求,是在单节锂离子电池应用中的理想选择。ltc3441能在效率高达95%的情况下提供最高1a的输出电流。ltc344l的工作频率在出厂时被调到1mhz。在该器件的mode/sync引脚施加一个两倍于期望开关频率的外部时钟(2.3mhz~3.4mhz),振荡器可以与之同步,同步频率范围是1.15mhz~1.7mhz。ltc3441所进行的高频操作允许采用表面贴装的电感器。为了获得高效率,电感器最好采用高频磁芯材料以减小磁芯损耗由于v1n为电源输入引脚,应用时最好在该脚布置一个至少4.7uf的低esr旁路电容器。ltc3441的典型应用电路如图2所示。
    
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