便攜式和嵌入式產(chǎn)品空間已經(jīng)從簡(jiǎn)單的日子開(kāi)始，整個(gè)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施基于12 V模擬傳感器和5 V邏輯電平。隨著嵌入式顯示器，新傳感器，存儲(chǔ)器，I/O和先進(jìn)的低功耗控制器的使用越來(lái)越多，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在需要各種各樣的電源域，其中可能包括0.8到1.8 V，2.3 V，2.7的混合電源。 V，3.3 V，5 V和12 V電源。

外部電源變壓器僅提供一個(gè)電壓電平，因此必須在PCB上生成其余電壓。這通常使用許多不同的單獨(dú)功率調(diào)節(jié)器或單個(gè)更復(fù)雜的功率管理IC（PMIC）來(lái)完成。這些IC的選擇基于電壓輸出，支持的電流水平以及設(shè)計(jì)的熱運(yùn)行條件。

為什么要多個(gè)電源？

今天的嵌入式系統(tǒng)通常采用多種技術(shù)設(shè)計(jì)。大多數(shù)設(shè)計(jì)都包含MOS，雙極，MEMS，TFT-LCD和LED技術(shù)等組件。隨著工藝和制造規(guī)模的擴(kuò)大，IC的標(biāo)稱(chēng)工作電壓已經(jīng)下降。每個(gè)晶體管的電流量也下降了;然而，由于大多數(shù)設(shè)計(jì)中每個(gè)芯片有更多晶體管，因此凈電流消耗不一定下降。在設(shè)計(jì)中使用混合技術(shù)正在推動(dòng)對(duì)多個(gè)功率調(diào)節(jié)器的需求。

多個(gè)耗材的第二個(gè)驅(qū)動(dòng)器是降低功耗。新設(shè)計(jì)按功能劃分電源域，應(yīng)用程序需要能夠快速切換這些段的電源開(kāi)關(guān)。為了最佳地降低單個(gè)模塊的功率，最好為它們提供獨(dú)立的高級(jí)功率門(mén)控控制和調(diào)節(jié)。這導(dǎo)致設(shè)計(jì)具有連接到主電源線的多個(gè)本地功率調(diào)節(jié)器。

這種分段設(shè)計(jì)流程需要許多不同的功率調(diào)節(jié)技術(shù)。這些包括但不限于線性穩(wěn)壓器，低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，DC-DC轉(zhuǎn)換器 - 包括升壓，降壓和升壓降壓穩(wěn)壓器 - 以及電荷泵電路。

線性和LDO穩(wěn)壓器

LDO穩(wěn)壓器的基本功能正如其名稱(chēng)所暗示的那樣：一個(gè)電平的輸入電壓有一些變化，并產(chǎn)生另一個(gè)電平的輸出，該輸出電壓比輸入電平更精確地保持該值。大多數(shù)線性和LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生的輸出電壓小于或等于輸入電壓。這些穩(wěn)壓器利用外部電阻對(duì)和保持電容來(lái)幫助設(shè)置和穩(wěn)定輸出電平。

如圖1所示，典型的線性穩(wěn)壓器（Fairchild Semiconductor的LP2951）包括一個(gè)關(guān)斷控制器。線性穩(wěn)壓器通常用于常開(kāi)應(yīng)用。移動(dòng)設(shè)備功能的增加要求功率控制可切換。在LP2951中，穩(wěn)壓器的輸出在關(guān)斷信號(hào)為低電平時(shí)可用，當(dāng)輸出電壓超過(guò)由輸入電壓定義的閾值時(shí)，輸出變?yōu)椤瓣P(guān)斷”或高阻態(tài)，并且不提供任何輸出電流。

圖1：飛兆半導(dǎo)體公司的LP2951 LDO穩(wěn)壓器框圖（由Fairchild提供）。該穩(wěn)壓器是具有關(guān)斷功能的PMIC的最小引腳配置。線性和LDO穩(wěn)壓器往往是三到八個(gè)引腳，適用于TO-92，TO-220和SO等小尺寸封裝。由于器件很小，它們受到內(nèi)部設(shè)計(jì)的熱限制。圖2顯示了器件的典型應(yīng)用連接，它需要最少的外部元件。 LPC2951可通過(guò)外部電阻設(shè)置輸出電壓。這些穩(wěn)壓器還提供固定輸出電壓配置，具有內(nèi)部電阻設(shè)置。線性和LDO穩(wěn)壓器的精度和高穩(wěn)定性使其成為存儲(chǔ)器和顯示模塊的首選器件，對(duì)電源變化具有高靈敏度。

圖2：飛兆半導(dǎo)體的LP2951 LDO穩(wěn)壓器應(yīng)用（由Fairchild提供）。

可調(diào)電壓輸出通常選擇用于存儲(chǔ)器應(yīng)用，因?yàn)橄嗤南到y(tǒng)和電路板可能包含來(lái)自不同速度和性能等級(jí)的存儲(chǔ)器。這些存儲(chǔ)器差異決定了電流消耗和工作電壓的要求?？烧{(diào)節(jié)的線性和LDO穩(wěn)壓器可以在不同的電路板上實(shí)現(xiàn)通用的材料清單，只需對(duì)不同應(yīng)用的無(wú)源元件進(jìn)行少量更改即可。

DC-DC開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器

繼續(xù)使用產(chǎn)生比參考電源低的電壓的穩(wěn)壓器，我們提供降壓型的有源開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器。它們使用有源邏輯控制和定時(shí)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率（超過(guò)90％）。降壓調(diào)節(jié)器盡管效率高且輸出穩(wěn)定，但由于輸出電壓中存在時(shí)鐘和開(kāi)關(guān)噪聲，因此具有高頻紋波。中頻輸出器件，如飛兆半導(dǎo)體的FAN5358 500 mA降壓轉(zhuǎn)換器，采用2 MHz時(shí)鐘工作。該6引腳器件具有固定的輸出電壓。該器件具有低（25μA）靜態(tài)電流，可產(chǎn)生500 mA的1.0至1.8 V穩(wěn)壓輸出。器件的框圖（見(jiàn)圖3）顯示了有源功能環(huán)路和所需的外部電感器。

圖3：飛兆半導(dǎo)體公司的FAN5358降壓穩(wěn)壓器框圖（由Fairchild提供）。

為了使高電流應(yīng)用的效率保持在95％的范圍內(nèi)，需要具有可編程開(kāi)關(guān)頻率的更復(fù)雜的電路功能。飛兆半導(dǎo)體的FAN2103全集成同步降壓穩(wěn)壓器適用于顯卡和機(jī)頂盒應(yīng)用。該器件具有“電源良好”控制信號(hào);斷電，過(guò)壓，欠壓和熱保護(hù);和輸入欠壓鎖定控制，以避免損壞芯片和外部組件。所有這些功能都需要一些引腳數(shù)和外部元件的成本，如圖4所示，它說(shuō)明了典型的應(yīng)用配置。

圖4：飛兆半導(dǎo)體的FAN2103降壓穩(wěn)壓器應(yīng)用圖（由Fairchild提供）。

大型25引腳模塑無(wú)引線封裝（MLP）使FAN2103的工作溫度范圍為-40℃至+ 850℃，但該器件需要外部散熱器才能在延長(zhǎng)工作溫度范圍的上端工作。該器件具有可編程輸出，支持具有已知標(biāo)稱(chēng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)IC以及可能具有非標(biāo)準(zhǔn)電壓要求的定制芯片。這些高效轉(zhuǎn)換器支持高達(dá)24伏的輸入電壓，因此無(wú)需額外的電源管理即可直接從墻上變壓器和電源線電源運(yùn)行。

DC-DC開(kāi)關(guān)升壓調(diào)節(jié)器

Boost調(diào)節(jié)器主要用于提升3.3至5伏范圍內(nèi)的電池輸出。升壓調(diào)節(jié)器使用外部電感器和電容器將電荷和電流轉(zhuǎn)儲(chǔ)到電容器中，以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓。圖5顯示了飛兆半導(dǎo)體的FAN4860同步升壓穩(wěn)壓器框圖。

圖5：飛兆半導(dǎo)體公司的FAN4860升壓穩(wěn)壓器框圖（由Fairchild提供）。

像降壓轉(zhuǎn)換器一樣，升壓轉(zhuǎn)換器具有必須考慮的熱分量。 FAN4860器件具有電壓和熱鎖定功能，可在必要時(shí)關(guān)閉它。由于這些調(diào)節(jié)器傾向于用于小型設(shè)備，因此它們通常不與散熱器一起使用。因此，電容器和電感器的熱穩(wěn)定性必須符合系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。

對(duì)于短時(shí)間內(nèi)，負(fù)載設(shè)計(jì)人員可能會(huì)使用電荷泵來(lái)產(chǎn)生增加的電壓。電荷泵電路用于瞬態(tài)峰值電壓和電流應(yīng)用。它們利用外部電感或電容元件作為電荷存儲(chǔ)設(shè)備，以在新電平建立時(shí)保持額外功率。這允許3.3或5伏系統(tǒng)提供12伏特，例如，持續(xù)短時(shí)間。與升壓和降壓調(diào)節(jié)器不同，它具有較短的啟動(dòng)時(shí)間，電荷泵具有每次使用的設(shè)置和放電周期。來(lái)自電荷泵的功率質(zhì)量通常是基于閾值而不是調(diào)節(jié)的，并且隨著電流消耗而快速下降。

電源注意事項(xiàng)

盡管它們可能有效，PMIC會(huì)耗散功率，從而產(chǎn)生必須從設(shè)備傳導(dǎo)出的熱量。為了補(bǔ)充電源管理，PMIC使用散熱器，增加了與系統(tǒng)氣流接觸的表面積?；谏崞鞯男螤詈捅焕鋮s的部件的形狀，熱量散布在多個(gè)表面上。

散熱器必須與調(diào)節(jié)器保持高度接觸，以幫助引導(dǎo)熱量。因此，它們必須具有牢固的機(jī)械連接。大多數(shù)通過(guò)導(dǎo)熱粘合劑或螺栓固定機(jī)械連接進(jìn)行連接。為了連接TO-220封裝中的標(biāo)準(zhǔn)3端線性穩(wěn)壓器，有許多鰭片形狀通過(guò)夾子和/或螺栓連接到穩(wěn)壓器的嵌入式電源連接。例如，Aavid Thermalloy的散熱器（見(jiàn)圖6）的外形符合TO-220封裝，并支持單穩(wěn)壓器和雙穩(wěn)壓器配置。

圖6：Aavid Thermalloy TO-220散熱器（由Aavid Thermalloy提供）。

對(duì)于采用SO和FlatPack封裝的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，有像CUI的VHS-45擠壓散熱器這樣的設(shè)備。該器件適用于多種FlatPack產(chǎn)品，并通過(guò)四個(gè)角孔和螺栓安裝到PCB上（參見(jiàn)圖7）。散熱器有多種尺寸的散熱片可供選擇，具體取決于散熱量和可用空氣流量。在無(wú)風(fēng)扇移動(dòng)設(shè)備中使用散熱器是有限的，因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰獙?duì)流冷卻氣流而不是被動(dòng)導(dǎo)電流。

圖7：CUI的VHS45擠壓散熱器（由CUI，Inc提供）。

電池支持

除電源調(diào)節(jié)外，移動(dòng)和便攜式系統(tǒng)還需要電池管理。此功能包括作為集成功能的電池充電。無(wú)論系統(tǒng)是可拆卸電池還是固定電池，現(xiàn)在都需要進(jìn)行操作充電。此任務(wù)對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?duì)狀態(tài)機(jī)功能的影響通常很大。隨著嵌入式微控制器和微處理器的興起，增加電池充電電路現(xiàn)在很簡(jiǎn)單。 Digi-Key具有用于創(chuàng)建電池電量計(jì)的參考設(shè)計(jì)，其監(jiān)控電池系統(tǒng)的電力使用和充電控制。