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1、技巧和诀窍技巧和诀窍 3V M 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 i 页 技巧和诀窍简介技巧和诀窍简介 技巧 #1：使用 LDO 稳压器，从 5V 电源向 3.3V 系统供 电 4 技巧 #2：选择方案：采用齐纳二极管的低成本供电系统 6 技巧 #3：选择方案：采用 3 个整流二极管的更低成本供 电系统 .8 技巧 #4：使用开关稳压器，从 5V 电源向 3.3V 系统供 电 10 技巧 #5：3.3V ? 5V 直接连接 .13 技巧 #6：3.3V ? 5V 使用 MOSFET 转换器.14 技巧 #7：3.3V ? 5V 使用二极管补
2、偿.16 技巧 #8：3.3V ? 5V 使用电压比较器.18 技巧 #9：5V ? 3.3V 直接连接 .21 技巧 #10： 5V ? 3.3V 使用二极管钳位22 技巧 #11： 5V ? 3.3V 有源钳位.24 技巧 #12： 5V ? 3.3V 电阻分压器.25 技巧 #13： 3.3V ? 5V 电平转换器.29 技巧 #14： 3.3V ? 5V 模拟增益模块32 技巧 #15： 3.3V ? 5V 模拟补偿模块33 技巧 #16： 5V ? 3.3V 有源模拟衰减器34 技巧 #17： 5V ? 3.3V 模拟限幅器.37 技巧 #18： 驱动双极型晶体管 41 技巧 #19
3、： 驱动 N 沟道 MOSFET 晶体管 44 目录目录 技巧和诀窍技巧和诀窍 技巧和诀窍技巧和诀窍 DS41285A_CN 第 ii 页 2006 Microchip Technology Inc. 注：注： 技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 1 页 技巧和诀窍简介技巧和诀窍简介 3.3 伏至 5 伏连接。 概述概述 我们对处理速度的需求日益增长，伴随着这种增 长，用来构建单片机的晶体管尺寸则在持续减小。 以更低的成本实现更高的集成度，也促进了对更小 的几何尺寸的需求。随着尺寸的减小，晶体管击穿 电压变得更低，最终，
4、当击穿电压低于电源电压 时，就要求减小电源电压。因此，随着速度的提高 和复杂程度的上升，对于高密度器件而言，不可避 免的后果就是电源电压将从 5V 降至 3.3V，甚至 1.8V。 Microchip 单片机的速度和复杂性已经到达足以要 求降低电源电压的程度，并正在向 5V 电源电压以 下转换。但问题是绝大多数接口电路仍然是为 5V 电源而设计的。这就意味着，作为设计人员，我们 现在面临着连接 3.3V 和 5V 系统的任务。此外， 这个任务不仅包括逻辑电平转换，同时还包括为 3.3V 系统供电、 转换模拟信号使之跨越 3.3V/5V 的 障碍。 技巧和诀窍技巧和诀窍 DS41285A_CN
5、第 2 页 2006 Microchip Technology Inc. 本 技巧和诀窍提供了一些电源供电组件、数 字电平转换组件甚至模拟转换组件，以解决所面临 的挑战。全书对每种转换均给出了多种选择方案， 从单片 （All-in-One）接口器件到低成本的分立解 决方案都有涉及。简而言之，无论导致转换的原因 是复杂性、成本还是尺寸，设计人员处理 3.3V 挑 战可能需要的全部组件均在本文有所讨论。 注：注： 本 技巧和诀窍中假设电源为 3.3V。然 而对于其他电源电压，给出的方法只需要 经过适当的修正，将同样适用。 技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology I
6、nc.DS41285A_CN 第 3 页 电源电源 面对 3.3V 挑战首先要解决的问题之一是产生 3.3V 电源电压。假设讨论的是 5V 系统至 3.3V 系统的 连接，我们可以认为已经拥有稳定的 5 VDC电源。 本节将给出针对 5V 至 3.3V 转换而设计的电压稳 压器解决方案。只需要适中的电流消耗的设计可以 使用简单的线性稳压器。如果电流需求较高的话， 可能就需要开关稳压器解决方案。对成本敏感的应 用，可能需要简单的分立式二极管稳压器。下面针 对这几种情况各给出一个例子，同时包含了必要的 支持信息，使其适用于各种最终应用。 表表 1：电源比较：电源比较 方法方法VREGIQ效率尺寸成
7、本瞬态响应效率尺寸成本瞬态响应 齐纳旁路 稳压器 10% 典型值 5 mA60% 小低差 串联线性 稳压器 0.4% 典型值 1 A 至 100 A 60% 小中极好 开关降压 稳压器 0.4% 典型值 30 A 至 2 mA 93% 中 到 大 高好 技巧和诀窍技巧和诀窍 DS41285A_CN 第 4 页 2006 Microchip Technology Inc. 技巧技巧 #1使用使用 LDO 稳压器，从稳压器，从 5V 电源向电源向 3.3V 系统供电系统供电 标准三端线性稳压器的压差通常是 2.0-3.0V。要 把 5V 可靠地转换为 3.3V，就不能使用它们。压 差为几百个毫伏的
8、低压降 （Low Dropout， LDO） 稳压器，是此类应用的理想选择。图 1-1 是基本 LDO 系统的框图，标注了相应的电流。从图中可 以看出， LDO 由四个主要部分组成： 1. 导通晶体管 2. 带隙参考源 3. 运算放大器 4. 反馈电阻分压器 在选择 LDO 时，重要的是要知道如何区分各种 LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要 的器件参数。根据具体应用来确定各种参数，将会 得到最优的设计。 技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 5 页 图图 1-1：LDO 电压稳压器电压稳压器 LDO的静态电流IQ
9、是器件空载工作时器件的接地电 流 IGND。 IGND是 LDO 用来进行稳压的电流。当 IOUTIQ时， LDO 的效率可用输出电压除以输入 电压来近似地得到。然而，轻载时，必须将 IQ计 入效率计算中。具有较低 IQ的 LDO 其轻载效率较 高。轻载效率的提高对于 LDO 性能有负面影响。 静态电流较高的 LDO 对于线路和负载的突然变化 有更快的响应。 IIN VIN VREF IOUT C1 C2 IGND RL 技巧和诀窍技巧和诀窍 DS41285A_CN 第 6 页 2006 Microchip Technology Inc. 技巧技巧 #2选择方案：采用齐纳二极管的低成 本供电系
10、统 选择方案：采用齐纳二极管的低成 本供电系统 这里详细说明了一个采用齐纳二极管的低成本稳压 器方案。 图图 2-1：齐纳电源：齐纳电源 可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本 3.3V 稳压器，如图 2-1 所示。在很多应用中，该电路可 以替代 LDO 稳压器并具成本效益。但是，这种稳 压器对负载敏感的程度要高于 LDO 稳压器。另 外，它的能效较低，因为 R1和 D1始终有功耗。 R1限制流入D1和PICmicro MCU的电流， 从而使 VDD保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电 流变化时，二极管的反向电压也将发生改变，所以 需要仔细考虑 R1的值。 VDD VSS PICmicro
11、 MCU 0.1 FC1 D1 +5V R1 470 技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 7 页 R1的选择依据是：在最大负载时通常是在 PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时 R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足 以维持工作所需的电压。同时，在最小负载时 通常是 PICmicro MCU 复位时VDD不超过齐 纳二极管的额定功率，也不超过 PICmicro MCU 的最大 VDD。 技巧和诀窍技巧和诀窍 DS41285A_CN 第 8 页 2006 Microchip Technolo
12、gy Inc. 技巧技巧 #3选择方案：采用选择方案：采用 3 个整流二极管的 更低成本供电系统 个整流二极管的 更低成本供电系统 图 3-1 详细说明了一个采用 3 个整流二极管的更低 成本稳压器方案。 图图 3-1：二极管电源：二极管电源 我们也可以把几个常规开关二极管串联起来，用其 正向压降来降低进入的 PICmicro MCU 的电压。 这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设 计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。 VDD VSS PICmicro MCU 0.1 FC1 R1 +5V D3 D1D2 技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology
13、 Inc.DS41285A_CN 第 9 页 所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而 变化。二极管 D1-D3的电压降是流经这些二极管 的电流的函数。连接 R1是为了避免在负载最小时 通常是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状态 时PICmicro MCU VDD引脚上的电压超过 PICmicro MCU 的最大 VDD值。根据其他连接至 VDD的电路， 可以提高R1的阻值， 甚至也可能完全 不需要 R1。二极管 D1-D3的选择依据是：在最大 负载时通常是 PICmicro MCU 运行且驱动其 输出为高电平时D1-D3上的电压降要足够低从 而能够满足 PICmicro MCU
14、 的最低 VDD要求。 技巧和诀窍技巧和诀窍 DS41285A_CN 第 10 页 2006 Microchip Technology Inc. 技巧技巧 #4使用开关稳压器，从使用开关稳压器，从 5V 电源向电源向 3.3V 系统供电系统供电 如图 4-1 所示，降压开关稳压器是一种基于电感的 转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出 电压。输出稳压是通过控制 MOSFET Q1 的导通 （ON）时间来实现的。由于 MOSFET 要么处于低 阻状态，要么处于高阻状态 （分别为 ON 和 OFF） ，因此高输入源电压能够高效率地转换成较 低的输出电压。 当 Q1 在这两种状态期间时，通过平
15、衡电感的电压 - 时间，可以建立输入和输出电压之间的关系。 对于 MOSFET Q1，有下式： 在选择电感的值时，使电感的最大峰 - 峰纹波电流 等于最大负载电流的百分之十的电感值，是个很好 的初始选择。 (Vs Vo) *ton = Vo * (T ton) 其中：T ton /Duty_Cycle Duty_CycleQ1 = Vo/Vs V = L* (di/dt) L = (Vs -Vo) * (ton/Io*0.10) 技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 11 页 在选择输出电容值时，好的初值是：使 LC 滤波
16、器 特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果 突然卸掉负载，电压过冲能处于可接受范围之内。 在选择二极管 D1时，应选择额定电流足够大的元 件，使之能够承受脉冲周期 （IL）放电期间的电感 电流。 图图 4-1：降压 （：降压 （BUCK）稳压器）稳压器 C = L/R2 = (I2 * L)/V2 oo Zo L/C L Vo D1 C Q1 Vs RL 技巧和诀窍技巧和诀窍 DS41285A_CN 第 12 页 2006 Microchip Technology Inc. 数字连接数字连接 在连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其 各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应 用的其他需求选择器件的连接方法。表 4-1 是本文 档所使用的输出、输入阈值。在设计连接时，请务 必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。 表表 4-1：输入：输入 / 输出阈值输出阈值 VOH 最小值最小值 VOL 最大值最大值 VIH 最小值最小值 VIL 最大值最大值
