現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展和低功耗集成電路的應(yīng)用

    隨著IT技術(shù)發(fā)展，電子信息行業(yè)從模擬時(shí)代過渡到數(shù)字時(shí)代，從分離晶體管時(shí)代過渡到集成電路時(shí)代，從純硬件電路過渡到軟硬件相結(jié)合、操作系統(tǒng)可裁減的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展，對(duì)電子系統(tǒng)低能耗要求越來越高，電子工程師想出各種解決方法和策略。

    (1)OPU低功耗電源策略

    現(xiàn)代CPU為降低系統(tǒng)功耗，無論在軟件上還是硬件上都支持電源低功耗管理模塊APM(AdvancedPowerManagement)、高級(jí)配置和電源接口ACPI(AdvancedConfigurationandPowerInteRFace)，對(duì)多個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊和外部元件通過數(shù)字內(nèi)核和內(nèi)部通信接口進(jìn)行控制，以提供更高的系統(tǒng)性能、可靠性以及更低的功耗；對(duì)APM和ACPI進(jìn)行創(chuàng)新和運(yùn)用，并引入CPU系統(tǒng)內(nèi)核和I／O中，特別是嵌入式系統(tǒng)和FPGA系統(tǒng)。

    例如，F(xiàn)PGA系統(tǒng)電源功耗一般取決于以下因素：內(nèi)部資源使用頻率、工作時(shí)鐘頻率、輸出變化頻率、布線密度、I／O電壓等。不同應(yīng)用電源實(shí)際功耗相差非常大，根據(jù)采用FPGA系列不同、內(nèi)核和I／O供電電壓不同，可能是3．3V、2．5V、1．8V和1．5V。

    (2)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電源低功耗策略

    靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過程中的電源低功耗管理技術(shù)，其功能和管理模式隨系統(tǒng)初始化確定。動(dòng)態(tài)電源策略是指CPU運(yùn)行過程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運(yùn)行頻率，當(dāng)系統(tǒng)忙時(shí)提高CPU運(yùn)行速度，系統(tǒng)空閑時(shí)使CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I／O口的平均電流和電壓，在電流和壓電不變時(shí)降低供電時(shí)間，從而降低系統(tǒng)功耗。

    靜態(tài)電源管理策略在初始化過程中確定，在實(shí)際應(yīng)用中局限性很大；而動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)是在程序運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)控制整個(gè)系統(tǒng)能耗，并采用各種措施降低功耗，應(yīng)用更加廣泛。

    低功耗集成電路的應(yīng)用

    3．1 78和79系列電源穩(wěn)壓集成電路

    78和79系列分別是正電壓和負(fù)電壓串聯(lián)穩(wěn)壓集成電路，體積小、集成度高、線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率高，在線性電源時(shí)代占領(lǐng)了很大市場(chǎng)。LM7805為固定+5 V輸出穩(wěn)壓集成電路(采取特殊方法也可使輸出高于5 V)，最大輸出電流為1 A，標(biāo)準(zhǔn)封裝形式有TO-220、TO-263。78和79系列集成電路應(yīng)用相對(duì)固定，電路形式簡(jiǎn)單，只是正負(fù)直流電壓輸出時(shí)應(yīng)注意變壓器最小輸出功率和最小輸出電壓，如圖1所示。

    根據(jù)能量守恒原則，在理想狀態(tài)下電源輸入輸出功率相等。在實(shí)際中，考慮銅損和其他元器件的損耗，電源的輸出功率小于輸入功率。78系列和79系列穩(wěn)壓前后直流電壓差為2～3 V。由于為正負(fù)雙電源輸出，穩(wěn)壓前后直流電壓差應(yīng)為5～6 V。

    3．2 LDO

    LDO(LOW DropOut regulator，低壓差線性穩(wěn)壓技術(shù))：相對(duì)傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓技術(shù)，LDO輸入和輸出之間電壓差更低。傳統(tǒng)78系列輸入輸出電壓差2～3 V才能正常工作，而低壓差使輸入輸出電壓差為1．7 V即可正常工作。例如，5 V輸入、3．3 V輸出，3．3 V輸入、1．7 V輸出。這使輸入輸出間差值范圍更小，集成電路功耗更低。典型應(yīng)用為L(zhǎng)M1085和LM1117。

    3．2．1 LM1085應(yīng)用

    LM1085是一款典型的低壓差線性穩(wěn)壓集成電路，輸入輸出電壓差低至1．5 V，輸出電流可達(dá)3 A。LM1085可以固定輸出3．3 V、5 V、12 V，也可通過引腳外圍電阻設(shè)置調(diào)整輸出，輸出調(diào)整范圍為1．2～15 V。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3．3 V、5 V、12 V，固定輸出方式硬件電路簡(jiǎn)單，用法也相對(duì)固定，同78系列基本相同。封裝形式有TO-220、TO-263，如圖2和圖3所示。

    LM1085-ADJ為輸出電壓可調(diào)節(jié)低壓差集成電路，輸出調(diào)整范圍為1．2～15 V，可以通過調(diào)節(jié)R1和R2阻值比值的大小確定輸出電壓，如圖4所示。

    Uo=VREF(1+R2／R1)+IADJR2

    其中Uo為輸出電壓，單位為V；VREF為基準(zhǔn)電壓，VREF=1．25 V；IADJ為基準(zhǔn)電流，IADJ最大值為120μA(通常在計(jì)算中忽略)。

    實(shí)際應(yīng)用中為了確定R1和R2阻值比值的大小，通常將R1固定，調(diào)節(jié)R2，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。因此在實(shí)際應(yīng)用中上式可為：

    Uo=1．25·(1+R2／R1)

    LM108x系列集成電路型號(hào)較多，不同型號(hào)輸出電流不同，例如LM1084輸出電流達(dá)5 A，LM1086輸出電流為1．5 A，其用法與LM1085相同。

    3．2．2 LM1117應(yīng)用

    LM1117也是一款低壓差集成電路，可固定輸出電壓也可調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓范圍為1．5～15 V，封裝形式和用法LM1085基本相同，其不同點(diǎn)有：

    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800 mA。

    ③可調(diào)輸出基準(zhǔn)電流IADJ不同。

    LM1117輸出可調(diào)原理與圖4所示基本相同，只是IADJ基準(zhǔn)電流不同。LM1117基準(zhǔn)電流為60 μA，而LM1085基準(zhǔn)電流為120 μA，在R1和R2阻值比值計(jì)算過程中都可忽略，其他計(jì)算方法和硬件電路都相同。

    根據(jù)LM1117的特點(diǎn)，輸出電壓低、功耗小，特別適合現(xiàn)代CPU供電、穩(wěn)壓。例如，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)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(nèi)核供電為1．7 V，I／O供電為3．3 V，通過LM1117-1．8和LM1117-3．3兩款芯片，不需任何外圍電路即可解決。

    結(jié) 語(yǔ)

    電子技術(shù)的發(fā)展使電源技術(shù)這一多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)突飛猛進(jìn)。電源技術(shù)的創(chuàng)新，推動(dòng)電源技術(shù)迅速發(fā)展，將為生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。電源技術(shù)和電源設(shè)備即將成為新世紀(jì)電子設(shè)備的主導(dǎo)技術(shù)和主流產(chǎn)品。■