用于低壓系統(tǒng)的模擬IC

本文介紹低壓IC的本文討論了多種類型的低壓IC，包括穩(wěn)壓器、數(shù)據(jù)轉換器、運算放大器和電流監(jiān)視器、比較器、微處理器監(jiān)控器、基準電壓源、模擬開關和接口收發(fā)器。它還提供了有關節(jié)能以及如何管理與低壓操作相關的問題的信息。

介紹

低電壓最適合用于尺寸、重量和功耗特別關鍵的系統(tǒng)，如PDA、手機和其他電池供電的便攜式設備。低電壓也有利于線路供電系統(tǒng)，因為與較低電壓操作相關的低功耗允許使用較小的電源、散熱器和風扇。

Maxim的許多產(chǎn)品系列均提供低壓IC，包括運算放大器、比較器、微處理器監(jiān)控器、接口、數(shù)據(jù)轉換器、模擬開關和多路復用器、基準電壓源、DC-DC轉換器、數(shù)字電位計和定時元件，如實時時鐘。

本討論涵蓋了上述許多模擬IC系列、其工作固有的節(jié)能，以及如何處理與低壓操作相關的一些問題。它還介紹了從5V電源產(chǎn)生較低電壓的方法。表1給出了Maxim的1.8V、2.5V、3.0V和3.3V集成電路。

通過低電壓運行節(jié)省功耗

通過將系統(tǒng)電源電壓從5V降低到較低的值，可以節(jié)省大量功率。對于阻性和容性負載，節(jié)省的功率與電壓的平方成正比。對于基準電壓源和運算放大器等恒流負載，節(jié)省是線性的。對于硬盤驅(qū)動器等恒定功率負載，切換到低電壓不會節(jié)省功耗，而是要求器件在較低的輸入電壓下工作。表2總結了與5V系統(tǒng)相比，低壓系統(tǒng)提供的節(jié)能效果。

電壓調(diào)節(jié)

有關穩(wěn)壓器的一般信息

Maxim擁有數(shù)十種穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生低壓或?qū)⒌碗妷恨D換為其他電平。它們包括低壓差線性穩(wěn)壓器、開關電容電荷泵轉換器和基于電感的開關穩(wěn)壓器。

低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）使用簡單，需要大于輸出的輸入電壓，并調(diào)節(jié)高達4A的輸出電流。與開關穩(wěn)壓器相比，LDO 噪聲更小，成本更低，但隨著施加的輸入電壓升高，它們會消耗更多的功率（并產(chǎn)生更多的熱量）。然而，線性穩(wěn)壓器對于具有低輸入至輸出電壓差的應用（效率與V成正比）非常有效外/V在).

電荷泵轉換器可以將直流電壓提升到更高的值，或產(chǎn)生與輸入電壓相反的極性電壓。它們使用電容器進行能量存儲，并提供小型、低成本的 DC-DC 轉換電路。但是，它們的輸出電流限制在0.75A以下，因此僅限于低功耗應用。

基于電感的開關穩(wěn)壓器提供低功率和高功率 DC-DC 電壓轉換，并且可以升壓（升壓）或降壓（降壓）輸入電壓。Maxim的升壓穩(wěn)壓器提供高達4A的輸出電流，降壓穩(wěn)壓器提供高達60A的輸出電流。

低壓差線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器要求輸入電壓大于輸出電壓。輸入電壓和輸出電壓之間的最小要求差值稱為壓差?，F(xiàn)代線性穩(wěn)壓器的壓差遠低于早期線性穩(wěn)壓器（如LM7905），因此被稱為低壓差穩(wěn)壓器或LDO。Maxim提供多種LDO，預設正輸出電壓低至0.75V，可調(diào)電壓低至0.5V。我們還提供輸出范圍為 -2.5V 至 -5V 的負 LDO。

LDO 使調(diào)節(jié)到低直流電壓變得簡單而經(jīng)濟。MAX1589 LDO系列簡單易用，具有0.75V至3.0V的預設輸出電壓，在0mA輸出電流下工作在小于175.500V的壓差。MAX1818 LDO系列還提供1.5V至5.0V的預設輸出電壓、500mA輸出電流，并具有低至1.25V的可調(diào)輸出電壓和僅0.12V的壓差，輸出電流為500mA。

圖1.MAX1589 500mA LDO具有0.75V、1.0V、1.3V、1.5V、2.5V和3.0V預設輸出。MAX1818 500mA LDO具有1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.3V和5.0V預設輸出或1.25V至5V可調(diào)輸出。

MAX8510 LDO系列具有便攜式設備設計中的重要特性：小尺寸（SC70）、低壓差（120mV/120mA）和低電源電流（最大90μA）。MAX8510/MAX8511預設為1.5V至4.5V的各種輸出電壓，MAX8512的輸出電壓可通過外部分壓器調(diào)節(jié)。

電荷泵電壓轉換器

對于低電流應用，將 3V 升壓至 5V 的最簡單解決方案是基于電容器的穩(wěn)壓電荷泵（圖 2）。行業(yè)標準的 7660 和大多數(shù)其他電荷泵不調(diào)節(jié) V外，但MAX619包括一個模擬基準和誤差放大器，其輸出控制一組連接到外部電容的內(nèi)部開關。開關電容網(wǎng)絡可以雙倍或三倍 V在，MAX619通過在這些工作模式之間切換進行調(diào)節(jié)。如圖所示，對于20V至5.4V輸入，該電路在2V時產(chǎn)生3mA電流±6%。對于3.0V至3.6V之間的輸入，輸出電流能力為50mA。

圖2.MAX0穩(wěn)壓電荷泵轉換器占用不到1.2in619的電路板空間，在20V時產(chǎn)生5mA電流±4%電流，2V至3.6V輸入電壓為50mA。

MAX5008穩(wěn)壓5V USB電荷泵提供高達125mA的輸出電流，電源電壓低至2.9V，適用于采用3.0V或3.3V電源的USB主機設備。

處理雙極性信號的系統(tǒng)通常需要負電源，必要時可以在本地產(chǎn)生負電源。一個簡單的解決方案是使用電荷泵反相器，如MAX889。

基于電感的開關模式穩(wěn)壓器

開關穩(wěn)壓器提供單路或多路輸出。根據(jù)輸出功率電平，這些器件由脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 和/或脈寬調(diào)制 （PWM） 控制。PFM 控制方案可在輕負載條件下實現(xiàn)高效率，允許穩(wěn)壓器在低至 10μA 的靜態(tài)電源電流下工作。PWM 方案消耗更多功率，但它們允許固定頻率操作，以更好地控制噪聲和 EMI。一些轉換器根據(jù)控制信號或負載電流電平在兩種控制方案之間切換。

雖然 LDO 對于低值 （V在， w外），許多應用的輸入電壓明顯高于輸出電壓。在這種情況下，效率決定了使用降壓開關穩(wěn)壓器。無線電和蜂窩電話等RF應用可以輕松使用開關穩(wěn)壓器，但必須注意避免在敏感的IF頻率處引入噪聲。

RF應用的理想選擇是MAX1684開關穩(wěn)壓器。該器件從 1V 至 3V 輸入提供 3A /4.12V，效率高達 97%，具有一個 300kHz 內(nèi)部振蕩器，并具有內(nèi)部 MOSFET 以方便使用。

高效降壓穩(wěn)壓器也是升級現(xiàn)有邏輯板以適應低電壓、低功耗IC的理想選擇。這些電路板通常具有 3.3V 的電壓，但它們需要 1.8V 電源用于新的低壓邏輯。線性穩(wěn)壓器可輕松將 3.3V 轉換為 1.8V，但對于較高的負載電流，功耗過高。例如，在2A時，線性穩(wěn)壓器將耗散3W，并且需要一個散熱器。然而，MAX1830高效開關穩(wěn)壓器（圖3）可提供20mA至2A電流，效率超過90%，無需外部MOSFET，因此無需散熱器。

圖3.MAX1830開關穩(wěn)壓器可在3mA至3A范圍內(nèi)將1.8V轉換為90.20V，效率高于2%，無需外部MOSFET。

MAX1830采用非常小的16引腳QSOP封裝，輸入范圍為3V至5.5V。在待機模式下，其靜態(tài)工作電流從 325μA 降至僅 0.2μA。高開關頻率（高達 1MHz）允許該器件采用小型、低成本、表面貼裝元件工作。

多輸出開關穩(wěn)壓器適用于設計為采用多個電源工作的系統(tǒng)。V生成等應用抄送例如，MAX1999可以很好地處理筆記本電腦中的電壓，它產(chǎn)生四個穩(wěn)定的電源電壓（圖4）。

圖4.MAX1999開關穩(wěn)壓器產(chǎn)生<>路輸出電壓，具有<>路高效、高功率開關模式穩(wěn)壓器和<>路低功耗線性穩(wěn)壓器。它還包括電源就緒輸出、關斷控制、電流限制和引腳可編程上電排序。

數(shù)據(jù)轉換器

模數(shù)轉換器

低功耗對于在便攜式設備中運行的模數(shù)轉換器（ADC）至關重要。這些應用通常需要高速，但高速和低功耗往往是相互排斥的。因此，Maxim生產(chǎn)的ADC在采集數(shù)據(jù)時消耗適中的電源電流，但在關斷時消耗非常低的電流。其結果是無需連續(xù)運行的轉換器可節(jié)省功耗。

例如，MAX11214具有睡眠和待機電流模式。該器件采用 2.7V 至 3.6V 電源工作，工作電流僅為 2.6mA （典型值），在自動關斷模式下僅消耗 1.5μA 電流。

數(shù)模轉換器

現(xiàn)代數(shù)模轉換器（DAC）允許低壓數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生模擬輸出。這些IC適用于便攜式應用，需要非常小的電源和電路板面積。例如，低成本MAX5217是一款16位、電壓輸出DAC，具有80μA低工作電流，非常適合便攜式應用。

MAX5217采用2.7V單電源供電，輸出擺幅為滿擺幅。它是低成本應用的理想選擇，例如調(diào)整失調(diào)電壓、設置可調(diào)電流（或電壓）源的偏置點以及設置其他電路中的調(diào)節(jié)點。

運算放大器和電流監(jiān)視器

在運算放大器中，降低電源操作通過減小輸出電壓擺幅來降低信噪比（SNR）。因此，許多低壓運算放大器提供軌到軌輸出擺幅作為保持SNR的一種手段。出于同樣的原因，許多器件的輸入電壓范圍包括一個或兩個電源軌。

低電壓工作不僅會縮小信號范圍，還會通過提高本底噪聲來進一步壓縮SNR。低壓放大器通常設計為消耗低電源電流，這會導致放大器噪聲水平更高。此外，反饋電阻具有更高的值（以限制系統(tǒng)電源電流），這也會增加噪聲。

更復雜的是，高阻抗節(jié)點更有可能通過電容耦合從高速數(shù)字信號中拾取噪聲。因此，高阻抗走線應保持較短，并與高速數(shù)字走線保持物理距離。

值得注意且有些相互排斥的低壓運算放大器特性包括低電源電流、低失調(diào)電壓和高速。例如，MAX40100集成了1.5MHz增益帶寬積和10μV失調(diào)電壓以及66μA低電源電流。這些特性使MAX40100運算放大器可用作低壓、電池供電系統(tǒng)中的儀表放大器。

Maxim的運算放大器系列還具有精密電流檢測放大器，如+1.6V MAX44286系列。這些電流檢測放大器采用高邊電流檢測電阻器，采用 4 個凸塊 ALP 封裝，從而最大限度地減少接地問題。

對于必須節(jié)省每個微安電流的便攜式應用，一些低壓、微功耗運算放大器可提供非常低的電源電流。MAX44281運算放大器在800μA （最大值）時功耗極低。

當采用低壓電源為運算放大器供電時，輸入共模電壓范圍和輸出電壓擺幅通常會受到擠壓。在設計低壓電路時，必須注意遵守這些輸入和輸出限制。

比較

與低壓運算放大器一樣，低壓比較器包括針對高速、低電源電流和低失調(diào)電壓單獨優(yōu)化的產(chǎn)品。例如，MAX44269為雙通道比較器，采用1.8 V單電源供電，每個比較器僅消耗0.5μA （典型值）電源電流。

某些應用，例如監(jiān)控電源的輸出電壓，需要超低功耗。MAX9025工作在1.8V至5.5V電源，僅消耗0.6μA （典型值）的電源電流，并在單封裝中集成了基準電壓源和比較器。

微處理器監(jiān)控電路

所有微處理器（μP）系統(tǒng)都需要某種形式的“監(jiān)督”來防止不穩(wěn)定的操作。監(jiān)控器可以像復位發(fā)生器一樣簡單，通過在通電后發(fā)出系統(tǒng)復位來確保已知的啟動條件。但許多監(jiān)控器還包括其他功能，例如備用電池管理、內(nèi)存寫入保護和用于監(jiān)控軟件執(zhí)行的“看門狗”定時器。

例如，備用電池可確保在V抄送不存在。通過監(jiān)控V抄送，μP 監(jiān)控器決定何時將系統(tǒng)切換到備用電池。然而，低電壓工作帶來了5V系統(tǒng)中不存在的工程問題。

五伏系統(tǒng)只需比較 V抄送帶備用電壓，并在 V 時切換到備用抄送更低。但是，這種方法可能會導致低壓系統(tǒng)中的錯誤切換：鋰備用電池在新鮮時測量高達3.6V，高于V的3.0V限制抄送在 3.3V 系統(tǒng)中。Maxim的監(jiān)控器允許備用電壓超過V，從而避免了這個問題。抄送，并且僅在 V 時啟動切換抄送低于選定的閾值。

MAX823/MAX824提供電壓監(jiān)視器和看門狗定時器，采用5引腳SC70和SOT23封裝（圖5）。

圖5.MAX823提供電源電壓監(jiān)測器、看門狗和手動復位功能，全部采用5引腳SC70/SOT23封裝。

MAX806R/S/T包括電池切換電路，可監(jiān)測3V和5V V抄送雙電壓系統(tǒng)中的電壓（圖 6）。在該電路中，主V.抄送比較器監(jiān)視 3V 電源，電源故障 （PFI） 比較器監(jiān)視 5V 電源。

圖6.如圖所示配置，該μP監(jiān)控器可監(jiān)控5V和3V V抄送在雙電壓系統(tǒng)中。

當 3V V 時，內(nèi)部電路發(fā)出復位抄送超出容忍范圍。The 5V V抄送跳變門限（4.527V至4.726V）由0.1%電阻設定;當5V電壓超出容差時，電源失效比較器輸出（PFO）下拉手動復位輸入（MR）。因此，任一 V 的超差條件抄送導致芯片發(fā)出復位。

Maxim的部分低壓監(jiān)控器通過芯片使能（CE）門控保護存儲器IC。CE 門控使管理引擎能夠通過在電源故障期間阻止讀取和寫入操作來保護內(nèi)存。例如，MAX792和MAX820具有CE選通功能，通過監(jiān)控器的傳播延遲僅為10ns。（較短的延遲允許更慢、更便宜的存儲器，因為CE延遲占用的存儲器周期時間更少。這些器件還提供手動復位、上電復位、電源故障警告和看門狗定時功能。

低功耗MAX6741監(jiān)視兩個系統(tǒng)電壓，僅需要6μA電源電流（圖7）。該監(jiān)控器系列的所有成員均提供推挽式或漏極開路輸出，采用微型SC70封裝，可監(jiān)控低至0.488V的電壓。

圖7.MAX6741監(jiān)測兩個電壓，如果任何一個電壓超出容差，則產(chǎn)生復位信號。

電壓基準

當指定具有最小電源電流的精密、低壓基準時，三端帶隙基準是最佳選擇。三端基準電壓源通常提供比雙端子齊納二極管更低的工作電流（圖 8）。

圖8.與兩端類型不同，三端基準電壓源會隨著輸入電壓的變化而吸收恒定的電源電流。

輸出電壓應盡可能高以獲得最大SNR，輸入至輸出電壓差應較低。例如，由2V±5%供電的3.10V基準必須在低至200mV的裕量下工作。MAX6029精密2.5V基準滿足這一嚴格要求。它接受高達 12V 的輸入，僅吸收 5μA 的電源電流。

MAX6029可以源出4mA電流，吸收1mA電流，相應的負載保證調(diào)節(jié)為0.7μV/μA （源極）和5.5μV/μA （灌電流）。溫度漂移為 30ppm/°C，在 27.2V 至 5.12V 輸入范圍內(nèi)，線路調(diào)整率典型值為 6μV/V。

模擬開關

近年來，具有保證精度的低壓模擬開關得到了顯著改善。MAX4651/MAX4652/MAX4653四通道、4Ω、單刀/單擲（SPST）模擬開關采用1.8V至5.5V單電源供電。正如預期的那樣，與高壓電源相比，較低電壓操作產(chǎn)生的導通電阻略高，開關速度略低（圖 9）。

圖9.MAX4653模擬開關的導通電阻和開關時間

接口收發(fā)器

USB

通用串行總線（USB）在計算機和外圍設備上非常常見，雖然總線工作在5V，但許多需要與總線接口的信號在較低的電壓下工作。Maxim制造出連接低壓邏輯和USB電壓電平的器件，并處理各種USB接口特定的控制信號。MAX3453將USB 1.1/2.0連接至1.65V至3.6V的邏輯電平，可接受低至3.1V的電源，非常適合鋰電池供電的邏輯信號。圖10所示為使用MAX3453將低壓邏輯連接至USB的典型電路。

圖 10.MAX3453 USB收發(fā)器將低壓邏輯與5V USB總線連接，完全符合USB 1.1/2.0標準，速率為12Mbps和1.5Mbps。

RS-232 和 RS-485

RS-232，也稱為232E（正式EIA/TIA-232-E），出現(xiàn)在大型機和微型計算機的時代，當時±12V電源很常見，最初的RS-232收發(fā)器需要±12V才能運行。壓降將輸出擺幅降低到約±9V，因此所需的最小值設置得更低，為±5V。

便攜式和低壓設備的出現(xiàn)催生了新的串行接口規(guī)范，以取代舊的232E標準EIA/TIA-562（為簡潔起見，562）。該新標準于1991年生效。562 和 232E 標準在電氣上兼容，因此新的 562 設計將與現(xiàn)有的 232E 設備配合使用，反之亦然。盡管有新標準，但RS-232一詞仍然存在，并且在寬松的說法中已經(jīng)意味著兩者或其中一種標準。

表 232 中顯示了某些 562E 和 3 規(guī)格的比較。請注意，驅(qū)動器輸出擺幅不同（±5V與±3.7V），但接收器輸入門限相同（±3V）。562 器件的最小輸出擺幅為 ±3.7V，允許它們與 232 個接收器通信，這些接收器的輸入門限為 ±3V。然而，噪聲容限僅為0.7V。相比之下，232個驅(qū)動器的最小擺幅為±5V，保證了2V的噪聲容限。

大多數(shù)采用低壓電源的現(xiàn)代Maxim RS-232器件都采用電壓遞增電荷泵轉換器，有時需要外部電容。許多Maxim RS-232器件具有自動關斷功能，在被RS-1通信信號“喚醒”之前僅消耗232μA電流。 MAX3381E（圖11）工作在低至2.35V，保證數(shù)據(jù)速率為250kbps，內(nèi)置±15kVESD保護。其兩個接收器在 1μA 關斷模式下保持活動狀態(tài)，使芯片能夠在消耗少量功率的同時監(jiān)控外部器件。MAX218（未顯示）工作電壓低至+1.8V，采用開關模式電源轉換器，需要外部電感、二極管和幾個電容。

圖 11.該低壓接口IC包括一個電荷泵轉換器，可產(chǎn)生RS-232通信所需的電壓。

審核編輯：郭婷