5V到3.3V的幾種電源方案

本文給出5V到3.3V的電源設(shè)計方案。一般電流要求的電源可以用簡單的線性穩(wěn)壓器。較高電流要求需要開關(guān)穩(wěn)壓器方案。成本敏感的應(yīng)用需要簡單的分立二極管穩(wěn)壓器。三種電源方案的比較見表1。

采用LDO的5V到3.3V電源

標(biāo)準(zhǔn)3端線性穩(wěn)壓器壓降通常為2.0~3.0V。5V到3.3V變換排除采用這種3端線性穩(wěn)壓器。低壓降(LDO)穩(wěn)壓器的壓降為幾百毫伏，所以適合于此應(yīng)用。圖1示出基本的LDO系統(tǒng)。LDO由4個主要元件組成：

·通路晶體管；

·帶隙參考；

·運(yùn)放；

·反饋電阻分壓器。

在選擇LDO時，重要的是要了解LDO間的差別。器件靜態(tài)電流、封裝尺寸和類型是器件的重要參量。針對專門應(yīng)用評估每個參量會獲得最佳設(shè)計。

LDO的靜態(tài)電流IQ是器件無載工作時的地電流IGND。IGND是LDO用來執(zhí)行穩(wěn)壓工作的電流。LDO的效率當(dāng)IOUT>>IQ時可近似于輸出電壓與輸入電壓之比。然而，在輕載時，計算效率必須考慮IQ。具有較低IQ時LDO有較高的輕載效率。輕載效率的增大對LDO性能有負(fù)面影響。具有較高靜態(tài)電流的LDO能快速響應(yīng)瞬時線路和負(fù)載變化。

采用齊納二極管的低成本電源方案

用1個齊納二極管和1個電阻器可以構(gòu)成一個簡單的低成本3.3V穩(wěn)壓器。在很多應(yīng)用中，此電路是替代LDO穩(wěn)壓器的一種經(jīng)濟(jì)方案。然而，這種穩(wěn)壓器比LDO更敏感于負(fù)載。另外，它的效率較低，功率總是消耗在電阻R和二極管D上。R限制到二極管和MCU的電流，因而MCU的VDD保持在可允許的范圍內(nèi)。因?yàn)榭缃釉邶R納二極管上的反向電壓隨流經(jīng)的電流變化而變化，所以要仔細(xì)地考慮R值。在最大負(fù)載(MCU正在運(yùn)行)時R的值必須使跨接在R上的壓降足夠低以使MCU有足夠電壓來工作；在最小負(fù)載(MCU處于復(fù)位狀態(tài))時R的值必須使VDD不超過齊納二極管的電源額定值或MCU的VDD最大值。

采用三個整流二極管的低成本電源

也可以用三個正向串聯(lián)開關(guān)二極管降壓為MCU供電(圖2)。這比齊納二極管穩(wěn)壓器更經(jīng)濟(jì)。這種電路吸入的電流比用齊納二極管要小。根據(jù)所選二極管正向壓降是流經(jīng)二極管電流的函數(shù)。電阻R1保持MCU的VDD電壓不超過最小負(fù)載(當(dāng)MCU處于復(fù)位或休眠狀態(tài)時)時的最大VDD。所選二極管D1-D3必須在最大負(fù)載(MCU處于運(yùn)行狀態(tài))時跨接在D1-D3上的壓降足夠小，以滿足MCU最小VDD要求。

采用開關(guān)穩(wěn)壓器的電源方案

圖3所示降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種電感器基變換器，用于降壓輸入電壓源到較低的輸出電壓?？刂?/FONT>MOSFET Q1的導(dǎo)通時間可實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)整。由于MOSFET是處于低或高電阻狀態(tài)(分別為ON或OFF)，所以高的源電源可以非常有效地變換到較低的輸出電壓。

在Q1兩個狀態(tài)(ON和OFF)期間平衡電感器的電壓一時間可以建立輸入和輸出之間的關(guān)系：

(VS-VO)×ton=VO×(T-ton)

其中T=ton/Duty-Cycle

MOSFET Q1占空比為：

Duty-CycleQ1=VO/VS

電感器值的選擇原則是：所選其數(shù)值使在電感器中所產(chǎn)生的最大峰一峰值紋波電流等于最大負(fù)載電流的10%：

V=L×(di/dt)

L=(VS-VO)×(ton/IO×0.10)

選擇輸出電容器值的原則是：置LC濾波器特性阻抗等于負(fù)載阻抗。這使得工作在滿載和負(fù)載突然去除時所產(chǎn)生的電壓過沖在可接受的范圍內(nèi)。

ZO=

C=L/R2=(IO2×L)VO2

D1二極管選擇原則是：所選器件有足夠的電流額定值來處理脈沖周期放電期間的電感電流。