現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展和低功耗集成電路的應(yīng)用
綠色環(huán)保已成為各行業(yè)開(kāi)展一個(gè)定向趨向，如何做到環(huán)保且高效節(jié)能已成為當(dāng)代搶手話題。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處置速度越來(lái)越快，數(shù)據(jù)流量和存儲(chǔ)空間越來(lái)越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性、牢靠性越來(lái)越高，而電子設(shè)備體積不時(shí)減小，集成度不時(shí)增高，功耗不時(shí)降低。特別是現(xiàn)代手持便攜設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備不只請(qǐng)求電子系統(tǒng)集成度高、體積小，而且請(qǐng)求整個(gè)系統(tǒng)功耗低，電池在相同體積和功耗下待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)。電子設(shè)備外形變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，終端產(chǎn)品變得愈加小巧，集成電路消費(fèi)商需求設(shè)計(jì)出愈加緊湊小巧的封裝。由于系統(tǒng)內(nèi)處置器、存儲(chǔ)器及其他集成電路數(shù)量不時(shí)增加，產(chǎn)生更多熱量，使熱管理在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中變得十分重要。這些要素給集成電路消費(fèi)商和電子設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了更多應(yīng)戰(zhàn)。電源技術(shù)的創(chuàng)新，勢(shì)必要推進(jìn)電源技術(shù)疾速開(kāi)展。
電源技術(shù)的開(kāi)展趨向和品種
1．1電源技術(shù)的開(kāi)展趨向
現(xiàn)代電源起始于20世紀(jì)50年代末60年代初的硅整流技術(shù)，其開(kāi)展先后閱歷了整流時(shí)期、逆變時(shí)期和變頻時(shí)期，推進(jìn)了電源技術(shù)在許多新興范疇的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末期和90年代初期開(kāi)展起來(lái)的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，標(biāo)明傳統(tǒng)電源技術(shù)曾經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電源技術(shù)的新興時(shí)期。
現(xiàn)代電源技術(shù)的開(kāi)展趨向：
①綠色化、小型化。低功耗、低污染、低電流、高效率、高集成已成為現(xiàn)代電源技術(shù)的主流，電源技術(shù)的開(kāi)展同時(shí)也依賴于電子元器件和集成電路的開(kāi)展。
�、谀K化、智能化。電源技術(shù)模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開(kāi)關(guān)電源將其功率開(kāi)關(guān)管和各種輸出維護(hù)模塊集成在一同，使開(kāi)關(guān)電源的體積進(jìn)一步減少。輸出穩(wěn)壓電路模塊化，使電源在實(shí)踐應(yīng)用中愈加靈敏、便當(dāng)、智能。
③數(shù)字化、多元化。隨著數(shù)字技術(shù)的開(kāi)展和成熟，現(xiàn)代電源更多地向數(shù)字化方向開(kāi)展。采用數(shù)字技術(shù)可減小電源高頻諧波干擾和非線性失真，同時(shí)便于CPU數(shù)字化控制。
現(xiàn)代電源具備良好的EMC特性，本身產(chǎn)生的高頻諧波功率逐步減小，降低了對(duì)環(huán)境的“污染”，同時(shí)加強(qiáng)了電源自身抗干擾性能。
1．2電源品種
按輸入一輸出狀態(tài)分類(lèi)：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。
按工作狀態(tài)分類(lèi)：線性電源、開(kāi)關(guān)電源、二極管穩(wěn)壓電源。
按同負(fù)載銜接穩(wěn)壓方式分類(lèi)：串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型穩(wěn)壓電源。
按輸出電壓調(diào)整方式分類(lèi)：固定輸出電源、可調(diào)電源。隨著電源技術(shù)的開(kāi)展，電源分類(lèi)和界定越來(lái)越含糊。例如，LA76810電視接納機(jī)集成音頻功放 AN5265采用9V直流供電，而電視接納機(jī)并不是采用9V直流直接輸出或穩(wěn)壓塊7809輸出，而是采用7812輸出后由9V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓并給集成電路供電。
關(guān)于固定電源與可調(diào)電源，78系列和79系列是電子工程師常用的固定電壓穩(wěn)壓輸出集成電路，317和337是常用可調(diào)電壓輸出集成電路。而如今1085能夠是3．3V輸出，也能夠是1．7V輸出，只需改動(dòng)集成電路外圍電阻。
開(kāi)關(guān)電源以其體積小、效率高、環(huán)路PWM控制、輸出短路和過(guò)載維護(hù)等特性已占領(lǐng)了電源市場(chǎng)，線性電源曾經(jīng)完成了任務(wù)，逐漸退出歷史舞臺(tái)。
低功耗管理戰(zhàn)略
隨著IT技術(shù)開(kāi)展，電子信息行業(yè)從模仿時(shí)期過(guò)渡到數(shù)字時(shí)期，從別離晶體管時(shí)期過(guò)渡到集成電路時(shí)期，從純硬件電路過(guò)渡到軟硬件相分離、操作系統(tǒng)可裁減的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字技術(shù)高速開(kāi)展，對(duì)電子系統(tǒng)低能耗請(qǐng)求越來(lái)越高，電子工程師想出各種處理辦法和戰(zhàn)略。
(1)OPU低功耗電源戰(zhàn)略
現(xiàn)代CPU為降低系統(tǒng)功耗，無(wú)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)換模塊和外部元件經(jīng)過(guò)數(shù)字內(nèi)核和內(nèi)部通訊接口停止控制，以提供更高的系統(tǒng)性能、牢靠性以及更低的功耗；對(duì)APM和ACPI停止創(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)電源功耗普通取決于以下要素：內(nèi)部資源運(yùn)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)踐功耗相差十分大，依據(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)電源低功耗戰(zhàn)略
靜態(tài)電源戰(zhàn)略是指系統(tǒng)在初始化過(guò)程中的電源低功耗管理技術(shù)，其功用和管理形式隨系統(tǒng)初始化肯定。動(dòng)態(tài)電源戰(zhàn)略是指CPU運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，當(dāng)系統(tǒng)忙時(shí)進(jìn)步CPU運(yùn)轉(zhuǎn)速度，系統(tǒng)閑暇時(shí)使CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I／O口的均勻電流和電壓，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)電源管理戰(zhàn)略在初始化過(guò)程中肯定，在實(shí)踐應(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)轉(zhuǎn)過(guò)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)用愈加普遍。
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)期占領(lǐng)了很大市場(chǎng)。LM7805為固定 +5 V輸出穩(wěn)壓集成電路(采取特殊辦法也可使輸出高于5 V)，最大輸出電流為1 A，規(guī)范封裝方式有TO-220、TO-263。78和79系列集成電路應(yīng)用相對(duì)固定，電路方式簡(jiǎn)單，只是正負(fù)直流電壓輸出時(shí)應(yīng)留意變壓器最小輸出功率和最小輸出電壓，如圖1所示。
依據(jù)能量守恒準(zhǔn)繩，在理想狀態(tài)下電源輸入輸出功率相等。在實(shí)踐中，思索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才干正常工作，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能夠固定輸出3．3 V、5 V、12 V，也可經(jīng)過(guò)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系列根本相同。封裝方式有TO-220、TO-263，如圖2和圖3所示。
LM1085-ADJ為輸出電壓可調(diào)理低壓差集成電路，輸出調(diào)整范圍為1．2～15 V，能夠經(jīng)過(guò)調(diào)理R1和R2阻值比值的大小肯定輸出電壓，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)算中疏忽)。
實(shí)踐應(yīng)用中為了肯定R1和R2阻值比值的大小，通常將R1固定，調(diào)理R2，到達(dá)調(diào)理輸出電壓的目的。因而在實(shí)踐應(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)理輸出電壓，輸出電壓范圍為1．5～15 V，封裝方式和用法LM1085根本相同，其不同點(diǎn)有：
�、佥敵龉潭妷褐递^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。
�、诠牡�，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所示根本相同，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(guò)程中都可疏忽，其他計(jì)算辦法和硬件電路都相同。
依據(jù)LM1117的特性，輸出電壓低、功耗小，特別合適現(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，以至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，經(jīng)過(guò)LM1117-1．8和LM1117-3．3兩款芯片，不需任何外圍電路即可處理。
結(jié) 語(yǔ)
電子技術(shù)的開(kāi)展使電源技術(shù)這一多學(xué)科的邊緣穿插技術(shù)突飛猛進(jìn)。電源技術(shù)的創(chuàng)新，推進(jìn)電源技術(shù)疾速開(kāi)展，將為消費(fèi)力的開(kāi)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步做出更大的奉獻(xiàn)。電源技術(shù)和電源設(shè)備行將成為新世紀(jì)電子設(shè)備的主導(dǎo)技術(shù)和主流產(chǎn)品。
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