嵌入式系统电源器件及电路设计课件

在便携式应用中，低功耗是产品能否独树一帜的关键所在，其决定着产品的尺寸大小与操作时间。低功耗问题已成为设计研发人员优化系统的关键目标。

电源效率既由硬件设计与组件选择决定，同时也由基于软件的运行时电源管理技术决定。

在便携式应用中，低功耗是产品能否独树一帜的关键所在，其决定着11)基于软件的电源管理技术

系统上电行为

空闲模式

断电

电压与频率缩放（frequencyscaling

）

1)基于软件的电源管理技术系统上电行为22)电路设计和元件选取考虑的因素

采用低功耗器件

采用高集成度专用器件

降低系统的时钟频率

利用“节电”工作方式

实行电源管理

2)电路设计和元件选取考虑的因素采用低功耗器件35.1常用电池的选择及相关问题

电池选择首先应考虑的问题：系统中需要什么电压；电池需要可再充电吗；典型使用/充电周期；系统的标准电流及峰值电流；是否需要方便地更换电池。

5.1常用电池的选择及相关问题电池选择首先应考虑的问题：4

为产生工作电压，可利用线性调节稳压器或开关稳压器。如果输入电路板的电压与所需要的电压比较接近，那么低压差（LDO）线性稳压器可能是较好的选择，因为：

不在电路板上产生噪声；

元件数量少；

价格不高。但LDO不能输出比输入高的电压，并产生热量。

为产生工作电压，可利用线性调节稳压器或开关稳压器。如5

使用开关稳压器：

通常效率更高；

不产生那么多的热量；

可从任意输入电压产生任意输出电压；但开关稳压器噪声大，并且元件数量多。

使用开关稳压器：6另一需要考虑的问题是电池电压在使用寿命内可能会跨越所需要的电路板电压。

升压-降压器配置

SEPIC配置

以串联或并联的方式安排电池，使电池电压在整个放电周期中都不再跨越电路板需要的电压

另一需要考虑的问题是电池电压在使用寿命内可能会跨越所需要的电7

影响单片机系统电池供电时间的几个重要要素：

电池本身电量大小及放电曲线；

单片机最小系统功耗（包含EPROM）；

液晶显示器功耗；

存储器功耗；

外围数字电路功耗；外围模拟电路功耗；

整机供电电源电压的高低；

影响单片机系统电池供电时间的几个重要要素：8

在进行低功耗嵌入式系统设计时

,下面是一些需要考虑的方面

:充电的可行性

设备大小的要求

设备运行时间

设备需要的功率

需要的I/O

速度要求真正需要的上拉电阻值可关掉的部分

在进行低功耗嵌入式系统设计时,下面是一些需要考虑的95.2常用电压基准/稳压电路的典型应用

基准电压源是一种用来作为电压标准的高稳定度的电压源，与普通集成稳压源比较，基准电压源的特点是更注重输出电压的稳定和准确，而不注重其负载能力。稳压基准源使电压稳定度高，不受环境温度影响，而又能通过电位器等元件做精细调整，可获得高准确度的基准电压VREF。

基准源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙电压基准三种，它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。

5.2常用电压基准/稳压电路的典型应用基准电压源10统设计问题和基准源的选择：

作为电路设计的一个关键因素，电压基准源的选择需要考虑很多方面的问题并做出折衷，如精度、受温度的影响程度、电流驱动能力、功率消耗、稳定性、噪声和成本。

功耗

供出和吸入电流

温漂

噪声输出电压温度迟滞

长期稳定性

统设计问题和基准源的选择：作为电路设计的一个关键因115.2.1常用电压基准/稳压的典型应用电路

微功耗基准电压源LM385：

电源电流15µA～20mA，即最低可在15µA电流下工作；

初始电压精度1%或2%，电压温度系数为30ppm；

典型动态阻抗0.6Ω，最大1Ω；

采用T092或DIP8封装；

有相应的工业级、军品级产品LM285、LM1855.2.1常用电压基准/稳压的典型应用电路微功耗基准电12（a）LM385引脚排列

（b）LM385典型应用

图5-1

LM385引脚排列与典型应用

嵌入式系统电源器件及电路设计课件13图5-2可调输出LM385引脚排列与典型应用

嵌入式系统电源器件及电路设计课件14基准电压源ICL8069：共分4挡：ICL8069A、ICL8069B、ICL8069B、ICL8069D，温度系数分别为10ppm、25ppm、50ppm、100ppm。

基准电压值为1.235V，最小值为1.20V，最大值为1.25V，工作电流范围为50µA～5mA。

稳定性好。当工作电流在50µA～5mA范围内变化时，VREF的最小变化小于20mV。

低噪声。噪声电压小于5µV（有效值），典型动态阻抗为1Ω。

A、B挡工作温度范围为0～70℃，C、D挡工作温度为-55～125℃。

基准电压源ICL8069：15

图5-3（a）ICL8096的典型应用电路

图5-3（b）ICL8096的数字电压表中应用电路

嵌入式系统电源器件及电路设计课件16微功耗基准电压源TC04/TC05:输出基准电压分别为1.25V、2.50V，允许有±2.5%的偏差

工作电流范围分别是15µA～20mA、20µA～20mA电压温度系数为50ppm，动态阻抗是1Ω

采用TO92、DIP8封装

微功耗基准电压源TC04/TC05:17

图5-4（a）TC04（TC05）的典型应用图5-4（a）

TC04（TC05）与ICL7109连接电路

18可调式基准电压源LM336:基准电压典型值为2.640V和5.000V，精度±1%，长期稳定性是20ppm。

基准电压值和电压温度系数可通过外部电路调整达到最佳，通常是用精密电位器和两只硅二极管构成温度补偿电路，使其温度系数最小。

动态阻抗低，典型值为0.25Ω。工作电流范围宽，典型为400µA～10mA。由于采用的是并联调整式电路，因此可作为正电压基准或负电压基准。还有相应的工业级、军品级产品，对应型号LM236、LM136。

可调式基准电压源LM336:19图5-5

LM336的典型应用图5-6

LM336构成的精密、低温度系数电源电路

嵌入式系统电源器件及电路设计课件205.3DC/DC变换器及其应用

LDO稳压器可适用于降压变换，

LOD根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳定输出端的电压不变。

电荷泵，也称为开关电容式电压变换器能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而是输入电压以一定因素（0.5，2或3）倍增或降低，从而得到所需的输出电压。

电感型开关式DC-DC变换器利用了磁场储能，不论是升压、降压或者两者同时进行，都可以实现最高的电源转换效率。5.3DC/DC变换器及其应用LDO稳压器可适用于降压变21图5-7采用SOT-23封装的电荷泵，用于驱动一个白光LED嵌入式系统电源器件及电路设计课件22图5-8由单格碱性电池供电的升压DC-DC变换器和LDO组合模块

嵌入式系统电源器件及电路设计课件23图5-9单离子电池应用中的DC-DC降压变换器

嵌入式系统电源器件及电路设计课件245.3.1DC/DC变换器的应用举例

XC6371系列是一种PWM的DC-DC变换器，其采用CMOS处理和激光光刻技术制造，具有低功耗和高精确度。

晶体管外扩电路的元件仅需3个：一个电感器、一个二极管和一个电容，外接的晶体管型号取决于所要求的输出电流。

工作电压0.9V~10.0V；输出电压范围2.0V~7.0V（0.1V步进）；输出电压精度±2.5%；可选择三种震荡频率：50kHz、100kHz和180kHz；最大输出电流：100mA（Vin=3.0V，Vout=5.0V时）；超小型SOT-89封装结构。

5.3.1DC/DC变换器的应用举例XC6371系列是一25图5-10XC6371引脚图图5-11

XC6371A应用电路图5-12

XC6371应用电路

嵌入式系统电源器件及电路设计课件265.4AC/DC变换器及其典型应用

图5-13

MAX610\611\612器件管脚图

5.4AC/DC变换器及其典型应用27MAX610系列变换器的主要特点是仅需要外接限流电阻、交流降压电容和滤波电容，就能将交流220V或110V变换为直流稳压输出，无需工频变压器，电源转换效率大80%，静态电流仅70µA，输出阻抗约0.6Ω；稳态性能好，固定电压输出精度4%，电压调整率达0.001%V，远优于三端集成稳压器；外部电路简单，有过欠压信号输出，以监测5V输出电压是否过高或过低，可作为外部电路复位信号等用。MAX610系列变换器的主要特点是仅需要外接限281.5V稳压电源电路

图5-14

5V、100mA变换电路图5-15

5V、50mA变换电路图5-16

5V、10mA变换电路

1.5V稳压电源电路292.输出电压可调电路

图5-17输出电压可调电路

2.输出电压可调电路303.5V直流输入的稳压电源

图5-18直流输入5V稳压电路图5-19具有电池接反保护的稳压电源3.5V直流输入的稳压电源314.不间断5V稳压电源

图5-20不间断5V稳压电源

4.不间断5V稳压电源325.5其他电源技术

图5-21标准的线性开关电源稳压电源

5.5其他电源技术33图5-22

6.5V基准电源电路

嵌入式系统电源器件及电路设计课件34图5-23EZ5Z3L-3.0/3.3管脚图和典型应用

嵌入式系统电源器件及电路设计课件35在便携式应用中，低功耗是产品能否独树一帜的关键所在，其决定着产品的尺寸大小与操作时间。低功耗问题已成为设计研发人员优化系统的关键目标。

电源效率既由硬件设计与组件选择决定，同时也由基于软件的运行时电源管理技术决定。

在便携式应用中，低功耗是产品能否独树一帜的关键所在，其决定着361)基于软件的电源管理技术

系统上电行为

空闲模式

断电

电压与频率缩放（frequencyscaling

）

1)基于软件的电源管理技术系统上电行为372)电路设计和元件选取考虑的因素

采用低功耗器件

采用高集成度专用器件

降低系统的时钟频率

利用“节电”工作方式

实行电源管理

2)电路设计和元件选取考虑的因素采用低功耗器件385.1常用电池的选择及相关问题

电池选择首先应考虑的问题：系统中需要什么电压；电池需要可再充电吗；典型使用/充电周期；系统的标准电流及峰值电流；是否需要方便地更换电池。

5.1常用电池的选择及相关问题电池选择首先应考虑的问题：39

为产生工作电压，可利用线性调节稳压器或开关稳压器。如果输入电路板的电压与所需要的电压比较接近，那么低压差（LDO）线性稳压器可能是较好的选择，因为：

不在电路板上产生噪声；

元件数量少；

价格不高。但LDO不能输出比输入高的电压，并产生热量。

为产生工作电压，可利用线性调节稳压器或开关稳压器。如40

使用开关稳压器：

通常效率更高；

不产生那么多的热量；

可从任意输入电压产生任意输出电压；但开关稳压器噪声大，并且元件数量多。

使用开关稳压器：41另一需要考虑的问题是电池电压在使用寿命内可能会跨越所需要的电路板电压。

升压-降压器配置

SEPIC配置

以串联或并联的方式安排电池，使电池电压在整个放电周期中都不再跨越电路板需要的电压

另一需要考虑的问题是电池电压在使用寿命内可能会跨越所需要的电42

影响单片机系统电池供电时间的几个重要要素：

电池本身电量大小及放电曲线；

单片机最小系统功耗（包含EPROM）；

液晶显示器功耗；

存储器功耗；

外围数字电路功耗；外围模拟电路功耗；

整机供电电源电压的高低；

影响单片机系统电池供电时间的几个重要要素：43

在进行低功耗嵌入式系统设计时

,下面是一些需要考虑的方面

:充电的可行性

设备大小的要求

设备运行时间

设备需要的功率

需要的I/O

速度要求真正需要的上拉电阻值可关掉的部分

在进行低功耗嵌入式系统设计时,下面是一些需要考虑的445.2常用电压基准/稳压电路的典型应用

基准电压源是一种用来作为电压标准的高稳定度的电压源，与普通集成稳压源比较，基准电压源的特点是更注重输出电压的稳定和准确，而不注重其负载能力。稳压基准源使电压稳定度高，不受环境温度影响，而又能通过电位器等元件做精细调整，可获得高准确度的基准电压VREF。

基准源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙电压基准三种，它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。

5.2常用电压基准/稳压电路的典型应用基准电压源45统设计问题和基准源的选择：

作为电路设计的一个关键因素，电压基准源的选择需要考虑很多方面的问题并做出折衷，如精度、受温度的影响程度、电流驱动能力、功率消耗、稳定性、噪声和成本。

功耗

供出和吸入电流

温漂

噪声输出电压温度迟滞

长期稳定性

统设计问题和基准源的选择：作为电路设计的一个关键因465.2.1常用电压基准/稳压的典型应用电路

微功耗基准电压源LM385：

电源电流15µA～20mA，即最低可在15µA电流下工作；

初始电压精度1%或2%，电压温度系数为30ppm；

典型动态阻抗0.6Ω，最大1Ω；

采用T092或DIP8封装；

有相应的工业级、军品级产品LM285、LM1855.2.1常用电压基准/稳压的典型应用电路微功耗基准电47（a）LM385引脚排列

（b）LM385典型应用

图5-1

LM385引脚排列与典型应用

嵌入式系统电源器件及电路设计课件48图5-2可调输出LM385引脚排列与典型应用

嵌入式系统电源器件及电路设计课件49基准电压源ICL8069：共分4挡：ICL8069A、ICL8069B、ICL8069B、ICL8069D，温度系数分别为10ppm、25ppm、50ppm、100ppm。

基准电压值为1.235V，最小值为1.20V，最大值为1.25V，工作电流范围为50µA～5mA。

稳定性好。当工作电流在50µA～5mA范围内变化时，VREF的最小变化小于20mV。

低噪声。噪声电压小于5µV（有效值），典型动态阻抗为1Ω。

A、B挡工作温度范围为0～70℃，C、D挡工作温度为-55～125℃。

基准电压源ICL8069：50

图5-3（a）ICL8096的典型应用电路

图5-3（b）ICL8096的数字电压表中应用电路

嵌入式系统电源器件及电路设计课件51微功耗基准电压源TC04/TC05:输出基准电压分别为1.25V、2.50V，允许有±2.5%的偏差

工作电流范围分别是15µA～20mA、20µA～20mA电压温度系数为50ppm，动态阻抗是1Ω

采用TO92、DIP8封装

微功耗基准电压源TC04/TC05:52

图5-4（a）TC04（TC05）的典型应用图5-4（a）

TC04（TC05）与ICL7109连接电路

53可调式基准电压源LM336:基准电压典型值为2.640V和5.000V，精度±1%，长期稳定性是20ppm。

基准电压值和电压温度系数可通过外部电路调整达到最佳，通常是用精密电位器和两只硅二极管构成温度补偿电路，使其温度系数最小。

动态阻抗低，典型值为0.25Ω。工作电流范围宽，典型为400µA～10mA。由于采用的是并联调整式电路，因此可作为正电压基准或负电压基准。还有相应的工业级、军品级产品，对应型号LM236、LM136。

可调式基准电压源LM336:54图5-5

LM336的典型应用图5-6

LM336构成的精密、低温度系数电源电路

嵌入式系统电源器件及电路设计课件555.3DC/DC变换器及其应用

LDO稳压器可适用于降压变换，

LOD根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳定输出端的电压不变。

电荷泵，也称为开关电容式电压变换器能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而是输入电压以一定因素（0.5，2或3）倍增或降低，从而得到所需的输出电压。

电感型开关式DC-DC变换器利用了磁场储能，不论是升压、降压或者两者同时进行，都可以实现最高的电源转换效率。5.3DC/DC变换器及其应用LDO稳压器可适用于降压变56图5-7采用SOT-23封装的电荷泵，用于驱动一个白光LED嵌入式系统电源器件及电路设计课件57图5-8由单格碱性电池供电的升压DC-DC变换器和LDO组合模块

嵌入式系统电源器件及电路设计课件58图5-9单离子电池应用中的DC-DC降压变换器

嵌入式系统电源器件及电路设计课件595.3.1DC/DC变换器的应用举例

XC6371系列是一种PWM的DC-DC变换器，其采用CMOS处理和激光光刻技术制造，具有低功耗和高精确度。

晶体管外扩电路的元件仅需3个：一个电感器、一个二极管和一个电容，外接的晶体管型号取决于所要求的输出电流。

工作电压0.9V~10.0V；输出电压范围2.0V~7.0V（0.1V步进）；输出电压精度±2.5%；可选择三种震荡频率：50kHz、100kHz和180kHz；最大输出电流：100mA（Vin=3.0V，Vout=5.0V时）；超小型SOT-89封装结构。