单片机系统电源设计

1、单片机系统电源设计第1页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51（1）熟悉单片机系统中常用的电源设计方案。（2）掌握线性稳压电路设计方法和常用线性电源器件的使用方法。（3）了解DC/DC电源设计和使用方法。（4）了解常用基准电源电路的使用方法。（5）了解常用电源模块的使用方法。 本章教学要求 第2页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52本 章 目 录12.1 单片机系统电源设计的考虑因素12.2 线性稳压供电电源12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路12.2.3 低压差线性稳压器（L

2、DO）电源电路12.3 DC/DC供电电源12.3.1 降压型DC/DC电源电路12.3.2 升压型DC/DC电源电路12.3.3 DC/DC模块电源的选择与应用12.4 AC/DC供电技术12.4.1 AC/DC电源技术12.4.2 AC/DC模块电源12.5 基准电源的产生方法12.5.1 稳压管基准电压源电路12.5.2 集成块基准电压源电路习题与思考题第3页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/5312.1 单片机系统电源设计的考虑因素 单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作, 电源的精度和可靠性等各项指标, 直接影响系统的整体性能。单片机系

3、统的数字和模拟两部分电路对电源的要求有所不同。数字部分：以脉冲方式工作，电源功率的脉冲性较为突出，如LED显示器的动态扫描会引起电源脉动。因此，为数字部分供电要考虑有足够的余量，大系统按实际功率消耗的1.52倍设计，小系统按23倍设计。此外，有时还需要多路电源或DC/DC供电。- A/D转换器分类第4页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/5412.1 单片机系统电源设计的考虑因素 模拟部分：对电源的要求不同于数字部分，模拟放大电路和A/D电路对电源电压的精度、稳定性和纹波系数要求很高，如果供电电压的纹波较大，回路中存在脉冲干扰，将直接影响放大后信号的质量和A/D转

4、换精度。一些模拟电路的偏置电压和基准电压也需要有很高的精度和稳定性。有些场合需要隔离电源，将信号传输通路完全隔离，以提高系统的安全性和抗干扰性能。例如，光电耦合器输入/输出电路的供电，模拟信号隔离放大器输入/输出电路的电源。如果模拟和数字部分使用同一个电源，会使数字部分产生的高频有害噪声耦合到模拟部分。因此，在模拟电路和数字电路混合的单片机系统中，需要注意考虑两种电路独立供电。第5页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/5512.2 线性稳压供电电源 线性稳压电源, 是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。线性稳压电源是较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压电源由调

5、整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成，有些还包含保护电路、启动电路等部分。图示为一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。优点是：反应速度快, 输出纹波较小, 工作产生的噪声低；缺点是：输出电压比输入电压低，效率较低，负载大时发热量大，间接地给系统增加热噪声。常用的线性集成稳压器大致可以分为3类：三端固定输出集成稳压器，三端可调集成稳压器，低压差线性集成稳压器。第6页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/56

6、12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路 三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器，它将调整、输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件，只有输入、输出和公共接地3个引出端，通过外接少量元器件即可实现稳压，使用非常方便，故称为三端集成稳压器。典型产品有78xx正电压输出系列和79xx负电压输出系列。其封装及外形如图所示。正负输出型的引脚排列不同。 78xx系列为：1脚输入, 2脚接地, 3脚输出； 79xx系列为：1脚接地, 2脚输入, 3脚输出。第7页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/5712.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路 输出电压有5, 6

7、, 9, 12, 15, 18 V和24 V等多种, 如7805, 7905, 7815和7915等。78xx(79xx)系列的输出电流为1 A； 78Mxx(79Mxx)系列输出电流为0.5 A； 78Lxx(79Lxx)系列输出电流为0.1 A。78xx(79xx)系列属于线性稳压器, 要求输入电压比输出电压高出23V，否则就不能正常工作。78xx(79xx)系列稳压器的优点是使用方便，不需作任何调整，外围电路简单，工作安全可靠，适合制作通用型、标称输出的稳压电源。其缺点是输出电压不能调整，不能直接输出非标称值电压，与一些精密稳压电源相比，其电压稳定度还不够高。第8页，共42页，2022年

8、，5月20日，3点1分，星期二2022/9/5812.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路 图示为采用三端稳压器设计的单片机系统电源电路，可以提供+5V的数字电路电源和15 V的模拟电路电源，注意二者的“地”电位不同，在PCB电路设计中应遵循单点接地的原则。第9页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/5912.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路 78xx(79xx)系列是固定电压输出型，还有一类三端集成稳压器是输出可调型，如LM317和LM337。LM317是正电压输出，其输出电压范围为1.2 37 V。LM337是负电压输出，其输出电压范围为-1.2 -37

9、 V。可调型三端集成稳压器输出电流能力根据系列不同可以从0.15 A。例如：LM317L为0.1 ALM317H为0.5 ALM317为1.5 ALM318为5 A (电压为1.232 V) 。负电压系列与此类似。第10页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51012.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路 可调型三端集成稳压器正负电压输出型的引脚排列不同。LM317（正输出型）为：1脚调整，2脚输出，3脚输入；LM337（负输出型）为：1脚调整，2脚输入，3脚输出。可调型三端集成稳压器的外形（TO-220）和应用电路如图所示。图中的滤波电容最好采用钽电容，如果采

10、用电解电容可选101000 F。该电路的输出电压与 输入电压的关系为： 第11页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51112.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路 三端集成稳压器输入/输出电压差在23V, 有的要达到4V以上。有时系统中的输入电压、转换效率、散热条件等难以满足压差要求, 如电池供电系统利用3.6V产生3V的电压, 压差只有0.6V, 且转换效率也要求很高, 显然前述三端稳压器难以满足。低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator, LDO)在逐步取代传统的线性稳压器。优点是输出噪声低, 纹波系数小, 电源电压影响小, 负载变

11、化时输出电压相应变化速度快; 外部元件少(一般是输入/输出端各有12个电容器); 尺寸小; 在输出电流较小时, LDO的成本只有开关电源成本的几分之一。缺点是效率相对较低, 会随着输出电压的降低而降低。例如, 某款LDO稳压器, 在输入电压为3.6V, 输出电压为3V时效率为83%, 而当输出电压差低到1.6V时, 效率降低为43%。此外, LDO稳压器只能用于降压场合。第12页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51212.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路 LDO线性稳压器的种类较多, 如LP3871系列芯片是超低压差线性稳压器, 输入范围为2.57V

12、, 输出电压规格有: 5.0, 3.3, 2.5和1.8V。在0.8A满载输出时压差为0.24V, 在输出电流为80mA时压差只有24mV。具有关断和故障输出功能, 关断后静态电流只有10nA, 便于系统内部电源管理。其封装和应用电路如图所示。 (/SD)是关断引脚, 不使用时需要接到VIN。(/ERR)引脚在输出电压低于正常值10%时输出低电平。 第13页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51312.3 DC/DC供电电源 DC/DC模块是直流-直流转换器, 其功能是：将直流电源电压转换为与之相同或不同的若干个直流电源电压, 以满足单片机系统对供电电源降压、升

13、压及隔离的要求。其工作原理是通过振荡电路和开关管把输入的直流电压转变为交流电压, 通过变压器变压之后, 再经过整流、滤波、稳压转换为直流电压输出。在一些小功率电路中可不采用高频变压器, 而直接对功率开关器件输出的脉冲电压信号进行滤波。从输入/输出的关系而言, DC/DC转换器有降压、升压及隔离3种形式的电路。 第14页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51412.3.1 降压型DC/DC电源电路 在单片机系统中, 有时需要输入电压为直流1428V, 输出电压为直流3.3V, 输出电流为2A的电源。如果采用线性稳压器来实现, 效率太低, 显然是不合适的。因此可利用

14、降压型DC/DC(集成)电源芯片实现。LM22676系列稳压器是单片集成DC/DC变换电路芯片, 可用于实现降压开关稳压电源, 其优良的线性与负载调节特性如下：输入电压范围为4.542V, 可以驱动电流高达3A的负载, 效率可达90%。开关时钟频率为500kHz, 由内置振荡器提供。芯片内部集成了自举二极管, 具有软启动功能, 使稳压器可以逐步到达初始稳态工作点, 从而降低浪涌电压和电流。内置热关断和限流功能, 超过150的情况下保护芯片。有使能控制输入端, 可使稳压器休眠至静态电流为25A的待机状态。第15页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51512.3.1

15、 降压型DC/DC电源电路 LM22676的内部结构如图所示。第16页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51612.3.1 降压型DC/DC电源电路 LM22676采用PSOP-8或TO-263封装，如图所示。 LM22676各引脚功能为：BOOT：提供高压侧NFET的触发电压。NC：未连接。FB：将输出反馈到内部电压误差放大器。EN：使能控制，低电平时，稳压器关闭。GND：接地。VIN：输入电源电压。SW：开关输出引脚。 第17页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51712.3.1 降压型DC/DC电源电路 采用LM22676-

16、ADJ设计的降压变换的电源原理图如图所示。 第18页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51812.3.2 升压型DC/DC电源电路 一些便携的单片机系统采用电池供电, 在系统内部需要高电压时, 可以采用DC/DC变换器进行升压, 满足系统的要求。例如, 有一单片机系统输入电压范围为直流33.6V, 内部某单元电路需要12V电压, 电流最大为0.2A。可采用升压型DC/DC电源芯片LM2735X来实现。LM2735是单片集成升压型DC/DC变换器, 输入电压范围为2.7 5.5V, 输出电压范围为324V, 低端开关电流能力最大为2.1A。外部元件少, 效率可达9

17、0%以上。开关时钟频率有两种, 分别为520 kHz (LM2735X)和1.6MHz(LM2735Y), 由内置振荡器提供。采用电流模式控制, 内部具有补偿功能、热关断功能和软启动功能, 关断模式下静态电流消耗为80nA。它广泛应用于便携设备和USB供电设备。第19页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/51912.3.2 升压型DC/DC电源电路 LM2735内部结构如图所示。 第20页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52012.3.2 升压型DC/DC电源电路 LM2735的SOT23封装如图所示。各引脚的功能为：SW：内部功

18、率开关输出引脚。FB：反馈输入引脚，连接外部电阻分压器，用于决定输出电压。EN：关断控制输入端。高电平允许芯片工作，不能悬空。VIN：输入电源电压引脚。GND：信号和电源地。第21页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52112.3.2 升压型DC/DC电源电路 采用LM2735设计的升压变换电源的原理图如图所示。 第22页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52212.3.3 DC/DC模块电源的选择与应用 DC/DC集成稳压器应用时需要进行电路设计。目前有很多厂家已经设计好了成系列的DC/DC模块电源, 应用时可以直接选用。DC/

19、DC模块电源具有体积小巧、性能稳定、使用方便的特点, 而且由于大规模生产, 使成本也很低。DC/DC模块电源种类很多, 输出功率从1W到上百瓦, 输出电压包括单路、正负双路、双隔离双输出和多路输出等多种形式, 输出电压覆盖了常用的电源电压的要求。有SIP(单列直插式)、DIP(双列直插式)、表面贴装等多种形式, 可以直接安装在电路板上, 也有适合直接固定在机柜导轨上的封装形式。大多数种类的模块具有隔离功能, 隔离电压有100012000V等多种。下图是一些适合电路板上安装的DC/DC模块的外形图。 第23页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52312.3.3 D

20、C/DC模块电源的选择与应用 DC/DC模块电源的典型应用如图所示。 通常, DC/DC模块输入/输出端只需连接电容即可, 为了降低纹波, 可串联电感。在使用时, 要确保在整个输入电压范围内, 其输出最小负载不能小于满负载的10%。如果实际负载小于规定的最小负载, 该DC/DC 转换器的输出纹波可能急剧增大, 效率会大大降低。此时可在输出端并联一个适当阻值的电阻以增加负载。第24页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52412.4 AC/DC供电技术 随着电子设备体积不断缩小和质量不断减轻，从而要求供电电源也要小型化。近年来国际上著名的芯片厂家竟相推出各类单片集成

21、转换芯片，已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成芯片。采用单片集成转换芯片构成AC/DC开关电源日益增多，广泛应用于应用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中。采用这类芯片可以实现直接的AC/DC变换，具有效率高、成本低的特点。本节以安森美（On Semiconductor）公司推出的NCP101X芯片为例，介绍AC/DC电源供电技术。 12.4.1 AC/DC电源技术 第25页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52512.4.1 AC/DC电源技术1AC/DC电源变换原理 AC/DC直接电源变换的原理框图如图。输入的交流22

22、0 V电压经过浪涌电压抑制和EMI滤波后，经过整流电路转换成高压直流电压，在控制器的控制下高压功率开关将直流电压变为高频脉冲电压信号，经过高频变压器并整流滤波稳压形成直流电压输出。当输入电压或外接负载变化时，取样电路检测到输出电压变化，经过反馈通道给控制器，经过脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率开关管的占空比，从而达到稳定输出电压的目的。 第26页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52612.4.1 AC/DC电源技术2NCP101X单片集成AC/DC转换芯片简介 NCP101X系列低待机功率离线开关电源单片集成转换芯片, 包含NCP1010、NCP

23、1011、NCP1012、NCP1013和NCP1014等型号, 最大输出电流可达450 mA。芯片的内部结构如图所示。 第27页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52712.4.1 AC/DC电源技术NCP101X系列芯片的特点：集成了一个固定频率电流模式控制器和一个700V的功率MOSFET, MOSFET的导通电阻RDS(on)为11/22 , 电流模式控制器以固定频率工作, 可选择65 kHz、100 kHz或130 kHz的器件。芯片采用动态自供电技术, 不需要偏置绕组, 如果使用外部辅助绕组, 则停止动态自供电模块工作, 这种情况下待机功率低于100

24、mW。具有软启动功能, 能在1ms内进行软启动。内置过电压保护(OVP)电路和具有自恢复功能的输出短路保护电路。特别适用于小功率AC/DC电源。第28页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52812.4.1 AC/DC电源技术 NCP101X系列芯片具有3种封装形式, 常用的PIDP-7和SOT-223封装如图所示。NCP101X各引脚功能为：VCC：内部电路供电，外部连接一只10 F电容器。该脚可连接辅助电源以改善待机性能，同时在反馈回路出现故障时，该脚还提供有源关断保护。NC：未连接。GND：接地。FB：为反馈信号输入。可利用光电耦合器接受输出端反馈信号输入，

25、根据输出功率的需要调整峰值电流设定点。Drain：为内部MOSFET的漏极。 第29页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/52912.4.1 AC/DC电源技术3采用NCP1012设计的AC/DC电源 采用NCP1012设计的交流输入, 输出为直流12V/500mA电源的原理图如图所示。 输入的交流电压经整流和滤波后, 直接由NCP1012的高压MOSFET开关控制, 生成高频脉冲电压信号经变压器变换, 再经整流滤波输出。取样电路由R3、R4组成, 与线性光耦合器PC817组成隔离式光耦反馈回路。电路简单高效, 没有体积大的工频变压器。第30页，共42页，2022

26、年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53012.4.2 AC/DC模块电源 AC/DC模块是直接将交流电源转换成直流电源的电源模块。这类模块大都具有输入电压范围宽(85264VAC)、交直流两用、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点, 效率可达80%以上。使用AC/DC模块可以简化系统的电源设计, 在电力行业/仪器仪表/工业控制/通信设备/医疗行业等多个领域都有广泛应用。小功率集成AC/DC模块的工作原理是：输入的交流电压首先经过整流滤波后变为直流, 内部主控芯片根据负载要求控制主控管的导通, 产生高频交流电压, 经高频变压器和高频整流滤波器处理后, 即可输出稳定的直流电压。下图是一些电

27、路板安装的AC/DC模块的外形图。第31页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53112.4.2 AC/DC模块电源 力源公司生产的AC/DC模块PS5W5S输入电压范围为交流165265V, 输出为5V/900mA, 典型效率为70%, 输出电压纹波50 mV, 具有输出短路、过热保护 金升阳公司生产的AC/DC模块LB05-10B05输入电压范围为交流85264VAC, 50/60Hz, 输出为5V/1000mA, 典型效率为73%, 输出电压纹波50mV, 具有稳压输功能, 输入/输出隔离电压为2500V。可用于小型仪表的供电。图示为PS5W5S模块电源的典

28、型应用电路。出、输出短路、过流、过温保护，输入/输出隔离电压达到3000V。全塑料外壳, 符合UL94V-0。可用于小型仪表的供电, 图示为其典型应用电路。 第32页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53212.5 基准电源的产生方法 单片机系统中的模拟放大和A/D转换等电路需要高精度、高稳定性的供电电源和参考电压源。基准电源是一种可以产生高精度、高稳定性电压的器件或电路，它产生的电压给特定部件作为参考电压使用。基准电源使用广泛，其精度和可靠性直接决定着系统的精度和可靠性。常用的基准稳压电源按基本组成可分为分立元件电路和集成电路两大类。 第33页，共42页，20

29、22年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53312.5.1 稳压管基准电压源电路 稳压管基准电压源电路如图所示。VDz是稳压管，R是限流电阻，Vi是输入直流电压。Vo为输出电压，等于稳压管两端的电压Vz，即为基准电压。稳压管的电流调节作用是这种稳压电路能够稳压的关键，即利用稳压管端电压Vz的微小变化，引起电流Iz较大的变化，通过电阻R起着电压调节作用，保证输出电压基本恒定。由于稳压管和负载电阻是并联的，故这种电路也叫并联式稳压电路。 第34页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53412.5.2 集成块基准电压源电路 常用的精密集成稳压电路有TL431、

30、MAX6035、ICL8069、AD584等芯片。1TL431精密集成稳压块TL431系列芯片是有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5 V)到36V范围内的任何值。TL431的内部结构框图如图所示。Vi是一个内部的2.5V基准源, 接在运放的反相输入端。由运放的特性可知, 只有当REF端(同相端)的电压非常接近Vi(2.5V)时, 三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过, 而且随着REF端电压的微小变化, 通过三极管的电流将从1100mA变化。第35页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53512.5.2

31、 集成块基准电压源电路 图示为TL431器件的符号, 3个引脚分别为：阴极C（CATHODE）阳极A（ANODE）参考端R（REF）由TL431构成的5V稳压器的典型应用电路如图所示。R0取1.5kW, R1、R2分别取10kW, 输入电压Vi为1224V时, 输出电压均为5V, 因此, 此种稳压器的精度很高。但是当在C、A端并接负载电阻时, 电阻值应大于2kW, 否则不能正常输出。第36页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53612.5.2 集成块基准电压源电路 下图为TL431应用电路, 用TL431制成的高精度稳压直流电源的纹波很小, 精度较高, 可以给高

32、精密仪器供电。 第37页，共42页，2022年，5月20日，3点1分，星期二2022/9/53712.5.2 集成块基准电压源电路 2MAX6035精密集成稳压块 MAX6035是宽电压输入范围和精密的、微功耗的电压基准。这款3端器件具有2.5 V、3.0V和5.0 V输出电压选项，是REF02和REF43等工业标准器件的升级产品。MAX6035采用3引脚SOT23和8脚SOIC封装，典型应用和引脚配置如图所示。 工作于-40125温度范围。其特性是: 宽电源电压范围(6.933V); 在使用温度范围内温度系数最大为2510-6/; 0.2%(最大值)初始精度; 95A(最大值)静态电源电流; 10mA输出电流, 2mA灌入电流; 无须输出电容;