单片机电路设计 之电源部分5V转3.3V应用技巧

我们对处理速度的需求日益增长,伴随着这种增长,用来构建单片机的晶体管尺寸则在持续减小。以更低的成本实现更高的集成度,也促进了对更小的几何尺寸的需求。随着尺寸的减小。晶体管击穿电压变得更低,最终,当击穿电压低于电源电压时,就要求减小电源电压。因此,随着速度的提高和复杂程度的上升,对于高密度器件而言,不可避免的后果就是电源电压将从 5V 降至 3.3V,甚至1.8V。

当前单片机的速度和复杂性已经到达足以要求降低电源电压的程度,并正在向 5V 电源电压以下转换。但问题是绝大多数接口电路仍然是为 5V电源而设计的。这就意味着,作为设计人员,我们现在面临着连接 3.3V 和 5V 系统的任务。此外,这个任务不仅包括逻辑电平转换,同时还包括为3.3V 系统供电、转换模拟信号使之跨越 3.3V/5V 的障碍。

1.技巧一:使用LDO稳压器,从5V电源向3.3V系统供电

标准三端线性稳压器的压差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地转换为 3.3V,就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降 (Low Dropout, LDO)稳压器,是此类应用的理想选择。图 1-1 是基本LDO 系统的框图,标注了相应的电流。从图中可以看出, LDO 由四个主要部分组成:

在选择 LDO 时,重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数,将会得到最优的设计。

LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流 IGND。 IGND 是 LDO 用来进行稳压的电流。当IOUT>>IQ 时, LDO 的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而,轻载时,必须将 IQ 计入效率计算中。具有较低 IQ 的 LDO 其轻载效率较高。轻载效率的提高对于 LDO 性能有负面影响。静态电流较高的 LDO 对于线路和负载的突然变化有更快的响应。

2.技巧二:采用齐纳二极管的低成本供电系统

可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本 3.3V稳压器,如图 2-1 所示。在很多应用中,该电路可以替代 LDO 稳压器并具成本效益。但是,这种稳压器对负载敏感的程度要高于 LDO 稳压器。另外,它的能效较低,因为 R1 和 D1 始终有功耗。R1 限制流入D1 和 PICmicro® MCU的电流,从而使VDD 保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时,二极管的反向电压也将发生改变,所以需要仔细考虑 R1 的值。

R1 的选择依据是:在最大负载时——通常是在PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时—R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时,在最小负载时——通常是 PICmicro MCU 复位时——VDD 不超过齐纳二极管的额定功率,也不超过 PICmicro MCU的最大 VDD。

3.技巧三:采用3个整流二极管的更低成本供电系统

图 3-1 详细说明了一个采用 3 个整流二极管的更低成本稳压器方案。

我们也可以把几个常规开关二极管串联起来,用其正向压降来降低进入的 PICmicro MCU 的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。

所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管 D1-D3 的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接 R1 是为了避免在负载最小时-通常是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状态时—PICmicro MCU VDD 引脚上的电压超过PICmicro MCU 的最大 VDD 值。根据其他连接至VDD 的电路,可以提高R1 的阻值,甚至也可能完全不需要 R1。二极管 D1-D3 的选择依据是:在最大负载时——通常是 PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——D1-D3 上的电压降要足够低从而能够满足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。

4.技巧四:使用开关稳压器,从5V电源向3.3V系统供电

如图 4-1 所示,降压开关稳压器是一种基于电感的转换器,用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制 MOSFET Q1 的导通(ON)时间来实现的。由于 MOSFET 要么处于低阻状态,要么处于高阻状态 (分别为 ON 和OFF),因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。

当 Q1 在这两种状态期间时,通过平衡电感的电压- 时间,可以建立输入和输出电压之间的关系。

对于 MOSFET Q1,有下式:

在选择电感的值时,使电感的最大峰 - 峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值,是个很好的初始选择。

在选择输出电容值时,好的初值是:使 LC 滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果突然卸掉负载,电压过冲能处于可接受范围之内。

在选择二极管 D1 时,应选择额定电流足够大的元件,使之能够承受脉冲周期 (IL)放电期间的电感电流。