MCU供電電路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

MCU供電方案分析

在我們平時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)電子系統(tǒng)時(shí)，供電方案往往是最重要且最容易被忽視的環(huán)節(jié)。一個(gè)電路供電系統(tǒng)的好壞，直接影響了整個(gè)電路的性能，這些影響包括電路的驅(qū)動(dòng)能力，溫升，EMC等方面。而對(duì)于MCU電路來(lái)說(shuō)，電源電路設(shè)計(jì)的缺陷，可能會(huì)引起程序跑飛，MCU損壞等后果，本文就針對(duì)MCU供電電路的設(shè)計(jì)分享一些經(jīng)驗(yàn)。

MCU供電電路需求

對(duì)于一個(gè)MCU電路來(lái)說(shuō)，其電源電路的需求主要來(lái)源于兩個(gè)方面。

第一個(gè)方面為輸入電源的參數(shù)，比如，當(dāng)一個(gè)MCU電路電源的輸入與其他電路系統(tǒng)的輸入為同一個(gè)時(shí)，那么此時(shí)就需要考慮這個(gè)輸入電源的電壓，電流范圍，假設(shè)這個(gè)電源輸入是寬范圍輸入時(shí)，如輸入范圍為5V~12V，那么我們?cè)谶x用電源芯片時(shí)也需要考慮這個(gè)電源芯片或者電路可以滿(mǎn)足寬范圍電壓輸入的要求。

考慮完電源輸入的電壓范圍之后，還需要看一下，這個(gè)輸入電源除了給MCU供電之外，還給其他哪些電路進(jìn)行供電。如果輸入MCU電源的電壓還給其他的一些感性系統(tǒng)供電時(shí)，應(yīng)考慮增加一些EMI電路(如電感，磁珠，電容)以消除這個(gè)感性系統(tǒng)帶來(lái)的電壓串?dāng)_。當(dāng)然，這些措施的預(yù)防性能有限，最好的辦法還是通過(guò)電源隔離和信號(hào)隔離來(lái)根除。

第二個(gè)方面需要考慮的是MCU電源電路的負(fù)載。由于MCU電源電路可能不僅僅只給MCU一個(gè)器件進(jìn)行供電，因此需要估算一下這個(gè)電源電路負(fù)載的大致范圍，有些MCU可能有不止一個(gè)電源，因此需要考慮每一路輸出電源的電壓，電壓的上電順序等，還需要考慮MCU電壓的穩(wěn)定程序，紋波等一系列的因素。

MCU電源電路的負(fù)載其實(shí)很好估算，我們可以輕松地從這個(gè)電源電路負(fù)載的每個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找出每個(gè)器件的最大功率，然后將這個(gè)電源后面器件的總功率加起來(lái)就是這個(gè)電源電路大致估算的設(shè)計(jì)功率。如下圖所示，一個(gè)MCU電源電路需要分別給MCU，溫濕度傳感器，LCD，和5個(gè)LED燈供電，這些器件的電壓都是3.3V的，而其最大工作電流很容易從數(shù)據(jù)手冊(cè)上面得知，因此可以估算使用3.3V/800mA輸出的MCU電源電路肯定可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

MCU電源電壓的穩(wěn)定性一般常用的電源芯片都能滿(mǎn)足，而紋波則可以使用輸出電容進(jìn)行濾除，另外，給MCU增加退耦電容，以及退耦電容的布局和Layout也是非常重要的一個(gè)措施，退耦電容布局和Layout不當(dāng)，對(duì)于一些高頻MCU，會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的后果，這個(gè)內(nèi)容我們以后可以專(zhuān)門(mén)講一下高頻電路的那些事。

這里還需要注意一點(diǎn)的是，電源穩(wěn)定度高，并不代表電源的精度就高，所以如果你想盡可能地提高M(jìn)CU內(nèi)置ADC模擬參考電壓的精度，那么對(duì)于ADREF這樣子的電壓，一定要用TL431之類(lèi)的高精度電源參考電壓芯片。

MCU電源電壓方案

目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于MCU的電源解決方案主要分成三大類(lèi)。

第一類(lèi)即為我們最常見(jiàn)的使用LDO(低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器)或者線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)得到一個(gè)穩(wěn)定的5V或者3.3V輸出，然后供給MCU。這里我們常見(jiàn)到的LDO有AMS1117-3.3V，這個(gè)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)3.3V電壓的LDO芯片，還有我們之前常用的一代經(jīng)典芯片7805，這時(shí)專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)5V電壓的線(xiàn)性穩(wěn)壓器芯片。

線(xiàn)性穩(wěn)壓器使用在其線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱(chēng)為傳遞設(shè)備)作為 PNP.這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線(xiàn)性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。

上面的那段話(huà)其實(shí)不難理解，比如當(dāng)一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器電路輸入電壓為12V，輸出電壓為5V時(shí)，那么這個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器的輸入與輸出之前就有7V的壓差，這個(gè)壓差是線(xiàn)性穩(wěn)壓器通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部的三極管的Vce電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)分壓的(對(duì)應(yīng)圖中的VDO)。因此，對(duì)于一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，它的VDO控制就是三極管的線(xiàn)性放大區(qū)域，是一個(gè)非常穩(wěn)定的電壓控制環(huán)路，它最大的好處就是線(xiàn)性電路的波動(dòng)比較小，因此可以很容易地得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。除了這個(gè)好處之外，還有一個(gè)好處就是線(xiàn)性穩(wěn)壓器組成的電源電路非常簡(jiǎn)單，只需要輸入輸出各加或者不加旁路電容即可正常工作。

除了上述兩個(gè)好處之外，線(xiàn)性穩(wěn)壓器幾乎就沒(méi)有其他好處了，首先，線(xiàn)性穩(wěn)壓器對(duì)輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差值是很敏感的，在早期的LDO沒(méi)被廣泛使用時(shí)，線(xiàn)性穩(wěn)壓器需要的輸入輸出壓差至少大于2V才能使電路正常工作。換句話(huà)說(shuō)，如果你想得到一個(gè)3.3V的電壓，那么輸入電壓至少要5.3V以上才能正常工作。而LDO的出現(xiàn)也只是將這個(gè)壓差減小而已。第二點(diǎn)線(xiàn)性穩(wěn)壓電路的問(wèn)題是，由于這個(gè)壓差是被內(nèi)部的三極管自身消耗掉的，而被三極管消耗的這些能量最終都是以熱的形式釋放掉，所以線(xiàn)性穩(wěn)壓器自身的發(fā)熱也很?chē)?yán)重，哪怕很輕的負(fù)載，你的手都能感覺(jué)到它的熱量。而這也導(dǎo)致了另外一個(gè)問(wèn)題，即線(xiàn)性穩(wěn)壓器的能量密度太低，哪怕TO-220這樣封裝的7805，其輸出電流也才1A。

第二類(lèi)就是現(xiàn)在非常流行的DC-DC芯片了。DC-DC芯片說(shuō)到底，其內(nèi)部就是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)不同的拓?fù)銪UCK，BOOST，BUCK-BOOST即可實(shí)現(xiàn)降壓，升壓，升壓降壓等電源轉(zhuǎn)換。DC-DC芯片除了電壓變換靈活以外還有一個(gè)非常優(yōu)秀的性能，即功率密度很高，以我常用的MP2161芯片來(lái)說(shuō)，SOT23封裝(貼片三極管大小)的芯片就可以滿(mǎn)足最大2A的電流輸出，而且輸出電壓最低可以達(dá)到0.6V。

現(xiàn)在的絕大多數(shù)DC-DC芯片都有內(nèi)置MOS，因此無(wú)需外擴(kuò)任何開(kāi)關(guān)器件，如MP2161，你只需外擴(kuò)一個(gè)功率電感，兩顆輸出反饋電阻和兩顆電容即可完成這個(gè)電源電路的設(shè)計(jì)。有些早期的DC-DC芯片可能需要外置一個(gè)功率二極管來(lái)完善其拓?fù)?，不過(guò)這種元器件現(xiàn)在已經(jīng)很少了。當(dāng)然，如果你覺(jué)得這個(gè)2A電流還不夠，你可以使用一個(gè)外部開(kāi)關(guān)器件來(lái)擴(kuò)充。

DC-DC芯片也存在一些問(wèn)題，由于它是基于開(kāi)關(guān)電源的芯片，因此如果布線(xiàn)不當(dāng)，反而影響其輸出電壓的質(zhì)量，甚至干擾MCU的正常工作，因此在使用的時(shí)候一定要仔細(xì)地閱讀其數(shù)據(jù)手冊(cè)，因?yàn)槊總€(gè)DC-DC的芯片手冊(cè)上面都有推薦的PCB Layout。

第三種方案，我個(gè)人覺(jué)得是最好的，只不過(guò)價(jià)格有點(diǎn)令人擔(dān)憂(yōu)，這種方案就是使用第三方廠(chǎng)家的電源模塊，你可以選擇任何的電源模塊，如單路輸入，多電壓輸出，隔離電源模塊，隔離穩(wěn)壓模塊等，一般在做一些大型設(shè)備，高利潤(rùn)設(shè)備等控制電路板時(shí)，優(yōu)先推薦大家使用這種方案。平時(shí)就算了，因?yàn)樗膬r(jià)格可能可以抵得上你一塊廉價(jià)電路板和元器件的價(jià)格。