【ADI技术文章】如何为处理器、微控制器和高功率器件选择电源拓扑

摘要

本文是一份详尽的指南，旨在说明如何为处理器、微控制器和高功率信号链选择合适的电源拓扑。本文强调了高效可靠的功率转换在信号链中的重要作用，并着重说明了此类结构紧凑但功能强大的电源器件在不同电子应用中的重要性。无论是在消费电子应用还是工业自动化环境中，处理器和微控制器等器件都是主要处理单元，需要稳定且精确调节的电源才能实现出色性能。本指南同时还强调，选择合适的电源架构对于确保系统无缝高效运行具有重要意义。

简介

本文将深入探讨低压差(LDO)稳压器、降压、升压、降压-升压和单输入多输出(SIMO)等电源拓扑在实际使用中需要考虑哪些因素，并评估其应用、重要性、优点和缺点。评估旨在通过提供实用的见解，帮助工程师在设计过程中做出明智的决策。

内核电压稳定的重要性

在深入研究电源拓扑的细节之前，必须了解维持处理器和微控制器内核电压稳定的重要性。

► 性能：稳定的内核电压可确保器件性能一致且可靠，防止发生意外崩溃、故障或不稳定行为。

► 电源效率：实现良好调节的内核电压可充分降低电力损耗，从而提升系统的整体能效。

► 使用寿命长：电压波动会导致器件过早磨损，缩短其使用寿命。

► 电磁兼容性(EMC)：稳定的内核电压有助于减少电磁干扰(EMI)，从而满足EMC标准要求，这对于医疗设备和航空航天系统等敏感应用至关重要。

► 抗扰度：适当的电压调节可以保护器件免受外部电噪声的影响，增强其在高噪声环境中的可靠性。

图1.线性稳压器ADP7142可提供1.8 V输出轨。

常见电源拓扑

微处理器和微控制器常用的电源拓扑包括线性稳压器和开关模式电源(SMPS)。降压、升压、降压-升压转换器和SIMO转换器都属于SMPS。每种拓扑都有其优点和缺点。下面深入探讨这些拓扑，以便全面了解这些拓扑。

线性稳压器

线性稳压器是简单易用、高性价比的解决方案，适合低功耗应用。无论输入电压如何变化，它都能提供恒定的输出电压，多余的电压以热量的形式耗散。然而，由于功耗原因，其在大电流应用中效率低下。图1显示了一个线性稳压器。

使用LDO稳压器进行设计时，有很多因素需要考虑。表1列出了其优点和缺点。

表1.LDO的优点和缺点

开关模式电源(SMPS)

SMPS由于其高效率而成为微处理器和微控制器常用的拓扑结构。SMPS通过快速开关功率器件(通常是晶体管)，将输入电压转换为所需的输出电压。它能实现精确的电压调节，充分降低功耗。图2展示了降压、升压和降压-升压拓扑。

图2.降压、升压和降压-升压拓扑是三种基本SMPS拓扑1

使用SMPS时，应考虑多方面因素，包括其优点和缺点。表2概述了这些重要方面。

表2.SMPS的优点和缺点

SMPS的类型

降压转换器

降压转换器是一种特定类型的SMPS，可将输入电压降至较低的输出电压。它广泛用于为微控制器和低功耗微处理器供电。降压转换器的工作原理是开关器件(通常为晶体管)，将能量储存在电感和电容中，然后以受控方式将其传送到输出端。图3展示了系统级解决方案中使用的降压转换器，它能高效地将高压轨转换为3.3 V。

图3. LT8631 微功耗降压转换器解决方案。

选择降压转换器作为电源拓扑时，必须权衡其优缺点。表3总结了这些关键考虑因素。

表3.降压转换器的优点和缺点

SIMO转换器

SIMO是一种创新的电源管理技术，可通过单个电感提供多个稳压输出。2传统电源管理电路通常需要为每个输出配备单独的电感，因此元件数量较多，占用电路板空间较大，且能量损耗也较高。SIMO简化了设计，让多个输出通道共享单个电感，从而提高了效率并减小了整体尺寸。图4展示了用于为多个输出轨供电的SIMO设计。

采用SIMO转换器作为电源拓扑时，必须考虑多种因素。表4简要列出了这种方案的优点和缺点。

表4.SIMO转换器的优点和缺点

图4. MAX17270 SIMO转换器配置为提供三个输出轨。

图5.升压转换器LT8336的输出电压为24 V。

升压转换器

升压转换器是一种将输入电压提升至更高输出电压的电源拓扑。升压转换器在微控制器和微处理器中不太常见，但在需要较高内核电压的应用中可找到其身影。在图5中，升压转换器用于提供高压精密放大器的24 V输出轨。

选择升压转换器作为电源拓扑时，必须考虑若干因素。表5清楚概述了这种方案的优点和缺点。

表5.升压转换器的优点和缺点

降压-升压转换器

降压-升压转换器兼具降压转换器和升压转换器的功能，可以降低或升高输入电压以提供稳定的输出电压。这种灵活性使其成为电压需求多变的应用场景的理想选择。例如，在图6中，降压-升压转换器用于调节电池堆的输出电压，该电池堆的输入电压可能变化不定。当电池堆处于放电模式时，输入电压大约为4.5 V至5 V，而当电池堆处于充电模式时，电芯电压可能会降至1.5 V至2.7 V。因此，这类应用需要降压-升压转换器。

采用降压-升压转换器作为电源架构时，必须考虑若干因素。表6简要总结了这种方案的优点和缺点。

图6.降压-升压转换器LTC3114-1配置为提供3.3 V输出电压。

图7.LT8631降压转换器性能，由LTpowerCAD® 程序生成。

表6.降压-升压转换器的优点和缺点

选择拓扑时需考虑的因素

能否为微处理器或微控制器正确选择电源拓扑，取决于多种因素。以下是一些重要考虑因素：

► 电源效率：确定设备的电源要求，选择高效的拓扑以尽可能减少能耗和发热。

► 输入电压范围：考虑在设备工作环境中可能存在的输入电压范围。确保所选的拓扑能够适应此类变化。

► 输出电压：确定微处理器或微控制器所需的内核电压。某些拓扑结构(如降压-升压转换器)在这方面更加灵活。

► 尺寸和重量限制：如果应用有空间或重量限制，应选择能够提供紧凑型、轻量级解决方案的拓扑。

► 成本：评估项目的成本约束。对于低功耗应用，线性稳压器可能是高性价比选择，但对于更高功率要求，SMPS解决方案可能更具成本效益。

► EMC考量：如果应用需要符合EMC标准，应确保所选拓扑可以通过适当的布局和滤波来满足这些要求。

► 瞬态响应：考虑电源的瞬态响应。微处理器和微控制器往往会经历负载突变，具有快速稳定响应的拓扑对于防止电压下降或过冲至关重要。

► 可靠性：评估应用的可靠性要求。某些拓扑(如线性稳压器)具有较少的元件，在某些场景中可能更可靠。

► 环境条件：考虑设备的工作环境。对于电池供电的应用，能效至关重要，而对于工业应用，稳健性和抗扰度可能更为关键。

实用的实施技巧

选择合适的电源拓扑后，借助以下一些实用技巧可成功实施：

► 元件选择：选择高质量的元件，包括电感、电容和晶体管，以确保系统稳定可靠地运行。

► 布局和布线：仔细规划PCB上电源电路的布局和布线。尽量减小环路面积，并使用适当的接地技术，以降低噪声并改善EMC性能。

► 滤波：根据需要添加输入和输出滤波器，以抑制EMI并确保输出电压干净稳定。

► 保护：实施过压、欠压和过流保护机制，以保护微处理器或微控制器免受损坏。

► 测试和特性表征：在各种工作条件下对电源电路进行全面测试和特性表征，确保其符合所需的性能规格。

► 散热管理：如果设计涉及功耗，应考虑添加散热器或散热管理解决方案以防止过热。

结语

为微处理器或微控制器选择正确的电源拓扑，是设计过程中的重要一步。每种拓扑都有各自的优点和缺点，选择何种拓扑应根据应用的具体要求决定。为了做出明智的选择以确保设备可靠高效地运行，应考虑电源效率、输入电压范围和输出电压稳定性等因素。

但必须注意的是，实施阶段同样重要。正确的元件选择、谨慎的布局布线和全面的测试，对于充分发挥所选电源拓扑的潜力至关重要。重视这些细节能够让微处理器和微控制器获得高效的供电，从而在各种应用中实现出色的性能。

参考文献

1 “An Introduction to Switch-Mode Power Supplies ”。Maxim Engineering Journal，第61卷，2007年9月。

2 Cary Delano和Gaurav Mital。“SIMO Switching Regulators:Extending Battery Life for Hearables and Wearables ”。Maxim Integrated(现已并入ADI公司)，2017年11月。