現(xiàn)代電子系統(tǒng)中電源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中電源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

引 言
??? 綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能，已成為當(dāng)代電子系統(tǒng)發(fā)展的主流和趨勢(shì)。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理速度越來(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、可靠性越來(lái)越高，而電子設(shè)備體積不斷減小，集成度不斷增高，功耗不斷降低。特別是現(xiàn)代手持便攜設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備不僅要求電子系統(tǒng)集成度高、體積小，而且要求整個(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)品變得更加小巧，集成電路生產(chǎn)商需要設(shè)計(jì)出更加緊湊小巧的封裝。由于系統(tǒng)內(nèi)處理器、存儲(chǔ)器及其他集成電路數(shù)量不斷增加，產(chǎn)生更多熱量，使熱管理在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中變得非常重要。這些因素給集成電路生產(chǎn)商和電子設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。

1 電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和種類
1．1 電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
??? 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)，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時(shí)代、逆變時(shí)代和變頻時(shí)代，推動(dòng)了電源技術(shù)在許多新興領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末期和90年代初期發(fā)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，表明傳統(tǒng)電源技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電源技術(shù)的新興時(shí)代。
??? 現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：
??? 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)的發(fā)展同時(shí)也依賴于電子元器件和集成電路的發(fā)展。
??? ②模塊化、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。新型開關(guān)電源將其功率開關(guān)管和各種輸出保護(hù)模塊集成在一起，使開關(guān)電源的體積進(jìn)一步縮小。輸出穩(wěn)壓電路模塊化，使電源在實(shí)際應(yīng)用中更加靈活、方便、智能。
??? ③數(shù)字化、多元化。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和成熟，現(xiàn)代電源更多地向數(shù)字化方向發(fā)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，自身產(chǎn)生的高頻諧波功率逐漸減小，降低了對(duì)環(huán)境的“污染”，同時(shí)增強(qiáng)了電源本身抗干擾性能。
1．2 電源種類
??? 按輸入一輸出狀態(tài)分類：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。
??? 按工作狀態(tài)分類：線性電源、開關(guān)電源、二極管穩(wěn)壓電源。
??? 按同負(fù)載連接穩(wěn)壓方式分類：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：固定輸出電源、可調(diào)電源。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，電源分類和界定越來(lái)越模糊。例如，LA76810電視接收機(jī)集成音頻功放AN5265采用9 V直流供電，而電視接收機(jī)并不是采用9 V直流直接輸出或穩(wěn)壓塊7809輸出，而是采用7812輸出后由9 V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓并給集成電路供電。
??? 對(duì)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。而現(xiàn)在1085可以是3．3 V輸出，也可以是1．7 V輸出，只需改變集成電路外圍電阻。
??? 開關(guān)電源以其體積小、效率高、環(huán)路PWM控制、輸出短路和過載保護(hù)等特性已占領(lǐng)了電源市場(chǎng)，線性電源已經(jīng)完成了使命，逐步退出歷史舞臺(tái)。

2 低功耗管理策略
??? 隨著IT技術(shù)發(fā)展，電子信息行業(yè)從模擬時(shí)代過渡到數(shù)字時(shí)代，從分離晶體管時(shí)代過渡到集成電路時(shí)代，從純硬件電路過渡到軟硬件相結(jié)合、操作系統(tǒng)可裁減的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展，對(duì)電子系統(tǒng)低能耗要求越來(lái)越高，電子工程師想出各種解決方法和策略。
??? (1)OPU低功耗電源策略
??? 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(Advanced Power Management)、高級(jí)配置和電源接口ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)，對(duì)多個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊和外部元件通過數(shù)字內(nèi)核和內(nèi)部通信接口進(jìn)行控制，以提供更高的系統(tǒng)性能、可靠性以及更低的功耗；對(duì)APM和ACPI進(jìn)行創(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)電源功耗一般取決于以下因素：內(nèi)部資源使用頻率、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)際功耗相差非常大，根據(jù)采用FPGA系列不同、內(nèi)核和I／O供電電壓不同，可能是3．3 V、2．5 V、1．8 V和1．5 V。

? (2)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電源低功耗策略
??? 靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過程中的電源低功耗管理技術(shù)，其功能和管理模式隨系統(tǒng)初始化確定。動(dòng)態(tài)電源策略是指CPU運(yùn)行過程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運(yùn)行頻率，當(dāng)系統(tǒng)忙時(shí)提高CPU運(yùn)行速度，系統(tǒng)空閑時(shí)使CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I／O口的平均電流和電壓，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)電源管理策略在初始化過程中確定，在實(shí)際應(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)行過程中動(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)用更加廣泛。
3 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)代占領(lǐng)了很大市場(chǎng)。LM7805為固定+5 V輸出穩(wěn)壓集成電路(采取特殊方法也可使輸出高于5 V)，最大輸出電流為1 A，標(biāo)準(zhǔn)封裝形式有TO-220、TO-263。78和79系列集成電路應(yīng)用相對(duì)固定，電路形式簡(jiǎn)單，只是正負(fù)直流電壓輸出時(shí)應(yīng)注意變壓器最小輸出功率和最小輸出電壓，如圖1所示。

??? 根據(jù)能量守恒原則，在理想狀態(tài)下電源輸入輸出功率相等。在實(shí)際中，考慮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才能正常工作，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可以固定輸出3．3 V、5 V、12 V，也可通過引腳外圍電阻設(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系列基本相同。封裝形式有TO-220、TO-263，如圖2和圖3所示。

??? LM1085-ADJ為輸出電壓可調(diào)節(jié)低壓差集成電路，輸出調(diào)整范圍為1．2～15 V，可以通過調(diào)節(jié)R1和R2阻值比值的大小確定輸出電壓，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)算中忽略)。
??? 實(shí)際應(yīng)用中為了確定R1和R2阻值比值的大小，通常將R1固定，調(diào)節(jié)R2，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。因此在實(shí)際應(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)節(jié)輸出電壓，輸出電壓范圍為1．5～15 V，封裝形式和用法LM1085基本相同，其不同點(diǎn)有：
??? ①輸出固定電壓值較多，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。
??? ②功耗低，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所示基本相同，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)算過程中都可忽略，其他計(jì)算方法和硬件電路都相同。
??? 根據(jù)LM1117的特點(diǎn)，輸出電壓低、功耗小，特別適合現(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，甚至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，通過LM1117-1．8和LM1117-3．3兩款芯片，不需任何外圍電路即可解決。

結(jié) 語(yǔ)
??? 電子技術(shù)的發(fā)展使電源技術(shù)這一多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)突飛猛進(jìn)。電源技術(shù)的創(chuàng)新，推動(dòng)電源技術(shù)迅速發(fā)展，將為生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。電源技術(shù)和電源設(shè)備即將成為新世紀(jì)電子設(shè)備的主導(dǎo)技術(shù)和主流產(chǎn)品。