2.4 電源電路

對于一個完整的嵌入式系統來講，首要問題就是為整個系統提供電源供電模塊，電源供電模塊的穩定可靠是嵌入式系統平穩運行的前提和基礎，但卻往往被忽略。如果嵌入式系統的電源供電模塊設計合理且穩定可靠，那么整個系統的故障往往就會減少一大半。

電源供電模塊以電源穩壓部分為主體，外圍輔助部分可包含過壓過流保護部分、電壓監控部分以及其他部分等。本節介紹電源穩壓部分，其他部分參考有關書籍。

1.電源供電模塊概述

電源供電模塊包括前級和末級部分，如圖2.35所示。

前級接嵌入式系統的主供電電源，可以是交流AC220V、設備電源、電池或計算機的USB電源之一，設備電源是指嵌入性設備或嵌入性設備所處環境提供的電源，例如汽車中的嵌入式系統是靠引擎驅動的發電機/電壓調節系統供電的。前級的功能是對主供電電源進行整流和濾波，并將主供電電源的電壓變換成符合末級集成穩壓模塊所需的輸入電壓。

末級的輸入接前級的輸出，末級由集成穩壓電路組成，末級集成穩壓電路的作用就是在供電電源電壓波動和負載變動時，其輸出的直流電壓不受影響。根據嵌入式計算機系統的電源需求，末級可能需要若干集成穩壓模塊。

某些整流濾波模塊和集成穩壓模塊帶有控制端，這些端子可連接到嵌入式計算機系統的I/O引腳，通過邏輯電平信號對電源模塊進行管理。

2.集成線性穩壓電路

單片集成穩壓電源具有體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優點。單片集成穩壓電路分線性穩壓電路和開關型穩壓電路。線性穩壓電路中三端固定式集成穩壓器因線路簡單，最為常用。三端固定式集成穩壓器正電壓輸出的為78××系列，負電壓輸出的為79××系列。其中××表示固定電壓輸出的數值，如7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指輸出電壓是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79××系列也與之對應，只不過是負電壓輸出。這類穩壓器的最大輸出電流為1.5A，塑料封裝（TO-220）外形的最大功耗為10W（加散熱器）；金屬殼封裝（TO-3）外形的最大功耗為20W（加散熱器）。

其中78系列三端集成穩壓器內部電路框圖如圖2.36所示。包括啟動電路、基準電路、誤差電路、過流過熱保護電路和調整管等。

78/79系列固定輸出三端集成穩壓器的典型應用電路如圖2.37所示。

在使用時必須注意VI和VO之間的關系。以W7805為例，該三端穩壓器的固定輸出電壓是5V，而輸入電壓至少大于7V，這樣輸入/輸出之間就有2V的壓差，使調整管保證工作在放大區。但壓差取得大時，又會增加集成塊的功耗，所以兩者應兼顧，即既要保證在最大負載電流時調整管不進入飽和，又不致于功耗偏大。

3.低壓差線性穩壓電路

LDO（Low DropOut regulator，低壓差線性穩壓技術）：相對傳統線性穩壓技術，LDO輸入和輸出之間的電壓差更低。傳統78系列的輸入和輸出電壓差在2～3V時才能正常工作，而低壓差使輸入輸出電壓差為1.2～1.5V即可正常工作。例如，5V輸入、3.3V輸出，3.3V輸入、1.8V輸出。這使輸入輸出間的電壓差值范圍更小，集成電路功耗更低。典型應用為LM1085和LM1117。

LM1085是一款典型的低壓差線性穩壓集成電路，輸入輸出電壓差低至1.5V，輸出電流可達3A。LM1085可以固定輸出3.3V、5V、12V，也可通過引腳外圍電阻設置調整輸出，輸出調整范圍為1.2～15V。LM1085-3.3、LM1085-5、LM1085-12為三款低壓差（LDO）固定輸出集成電路，固定輸出分別是3.3V、5V、12V，固定輸出方式硬件電路簡單，用法也相對固定，同78系列基本相同。其引腳和典型應用電路如圖2.38所示。

LM1085-ADJ為輸出電壓可調節低壓差集成電路，輸出調整范圍為1.2～15V，可以通過調節R1和R2阻值比值的大小來確定輸出電壓，如圖2.39所示。

Uo=VREF（1+R2/R1）+IADJR2

其中，Uo為輸出電壓，單位為V；VREF為基準電壓，VREF=1.25V；IADJ為基準電流，IADJ最大值為120μA（通常在計算中忽略）。實際應用中為了確定R1和R2阻值比值的大小，通常將R1固定，調節R2，達到調節輸出電壓的目的。因此在實際應用中上式可為

Uo=1.25（1+R2/R1）

LM108x系列集成電路型號較多，不同型號輸出電流不同，例如LM1084輸出電流達5 A，LM1086輸出電流為1.5 A，其用法與LM1085相同。

LM1117也是一款低壓差集成電路，可固定輸出電壓，也可調節輸出電壓，輸出電壓范圍為1.5～15V，封裝形式和用法與LM1085基本相同，其不同點如下：

① 輸出固定電壓值較多，電壓低，精度高。固定輸出集成電路有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的輸出最大電流為800mA。

③ 可調輸出基準電流IADJ不同。

LM1117輸出可調原理與圖2.39所示的基本相同，只是IADJ基準電流不同。LM1117基準電流為60μA，而LM1085基準電流為120μA，在R1和R2阻值比值計算過程中都可忽略，其他計算方法和硬件電路都相同。

根據LM1117的特點，輸出電壓低、功耗小，特別適合現代CPU供電、穩壓。例如，FPGA芯片內核和I/O供電不同，甚至I/O之間供電電壓不同，Cyclone芯片采用內核供電為1.7V，I/O供電為3.3V，通過LM1117-1.8V和LM1117-3.3兩款芯片，不需要任何外圍電路即可解決。

4.開關型穩壓電路

采用線性穩壓器件（如78××系列三端穩壓器件）作為電壓調節和穩壓器件，可將較高的直流電壓轉變MCU所需的工作電壓。這種線性穩壓電源的線性調整工作方式在工作中會有大的“熱損失”[其值為V（壓降）×I（負荷）]，實際工作效率僅為30%～50%。加之工作在高粉塵等惡劣環境下往往將嵌入式工業控制系統置于密閉容器內的聚集，也加劇了系統的惡劣工況，從而使嵌入式控制系統的穩定性能變得更差。

而開關電源調節器件則以完全導通或關斷的方式工作。因此，工作時要么是大電流流過低導通電壓的開關管、要么是完全截止而無電流流過。因此，開關穩壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達70%～90%。在相同電壓降的條件下，開關電源調節器件與線性穩壓器件相比具有少得多的“熱損失”。因此，開關穩壓電源可大大減少散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對MCU工作環境的有害影響。

采用開關穩壓電源來替代線性穩壓電源作為MCU電源的另一個優勢是，開關管的高頻通斷特性以及串聯濾波電感的使用對來自于電源的高頻干擾具有較強的抑制作用。此外，由于開關穩壓電源“熱損失”的減少，設計時還可提高穩壓電源的輸入電壓，這有助于提高交流電壓抗跌落干擾的能力。

LM2576系列是美國國家半導體公司生產的3 A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路，它內含固定頻率振蕩器（52 kHz）和基準穩壓器（1.23V），并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路，具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅動能力。LM2576系列包括 LM2576（最高輸入電壓40V）及LM2576HV（最高輸入電壓60V）兩個系列。各系列產品均提供有3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、12V（-12）、15V（-15）及可調（-ADJ）等多個電壓檔次產品。此外，該芯片還提供了工作狀態的外部控制引腳。

LM2576系列開關穩壓集成電路的主要特性如下：

最大輸出電流：3A；

最高輸入電壓：LM2576為40V，LM2576 HV為60V；

輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可調）等可選；

振蕩頻率：52 kHz；

轉換效率：75%～88%（不同電壓輸出時的效率不同）；

控制方式：PWM；

工作溫度范圍：-40℃～+125℃；

工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制；

工作模式控制：TTL電平兼容；

所需外部元件：僅4個（不可調）或6個（可調）；

器件保護：熱關斷及電流限制；

封裝形式：TO-220或TO-263。

由LM2576構成的基本穩壓電路僅需4個外圍器件，其電路如圖2.40所示。