单片机系统电源设计课件

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1、1,2020/9/16,单片机原理与接口技术,第10章 单片机系统电源设计,2,2020/9/16,（1）熟悉单片机系统中常用的电源设计方案。 （2）掌握线性稳压电路设计方法和常用线性电源器件的使用方法。 （3）了解DC/DC电源设计和使用方法。 （4）了解常用基准电源电路的使用方法。 （5）了解常用电源模块的使用方法。,本章教学要求,3,2020/9/16,本 章 目 录,12.1 单片机系统电源设计的考虑因素 12.2 线性稳压供电电源 12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路 12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路 12.2.3 低压差线性稳压器（LDO）电源电路 12.3 D

2、C/DC供电电源 12.3.1 降压型DC/DC电源电路,12.3.2 升压型DC/DC电源电路 12.3.3 DC/DC模块电源的选择与应用 12.4 AC/DC供电技术 12.4.1 AC/DC电源技术 12.4.2 AC/DC模块电源 12.5 基准电源的产生方法 12.5.1 稳压管基准电压源电路 12.5.2 集成块基准电压源电路 习题与思考题,4,2020/9/16,12.1 单片机系统电源设计的考虑因素,单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作, 电源的精度和可靠性等各项指标, 直接影响系统的整体性能。 单片机系统的数字和模拟两部分电路对电源的要求有所不同。 数字部

3、分：以脉冲方式工作，电源功率的脉冲性较为突出，如LED显示器的动态扫描会引起电源脉动。因此，为数字部分供电要考虑有足够的余量，大系统按实际功率消耗的1.52倍设计，小系统按23倍设计。此外，有时还需要多路电源或DC/DC供电。,- A/D转换器分类,5,2020/9/16,12.1 单片机系统电源设计的考虑因素,模拟部分：对电源的要求不同于数字部分，模拟放大电路和A/D电路对电源电压的精度、稳定性和纹波系数要求很高，如果供电电压的纹波较大，回路中存在脉冲干扰，将直接影响放大后信号的质量和A/D转换精度。一些模拟电路的偏置电压和基准电压也需要有很高的精度和稳定性。 有些场合需要隔离电源，将信号传

4、输通路完全隔离，以提高系统的安全性和抗干扰性能。例如，光电耦合器输入/输出电路的供电，模拟信号隔离放大器输入/输出电路的电源。 如果模拟和数字部分使用同一个电源，会使数字部分产生的高频有害噪声耦合到模拟部分。因此，在模拟电路和数字电路混合的单片机系统中，需要注意考虑两种电路独立供电。,6,2020/9/16,12.2 线性稳压供电电源,线性稳压电源, 是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。 线性稳压电源是较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成，有些还包含保护电路、启动电路等部分。,图示为一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，

5、省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。 优点是：反应速度快, 输出纹波较小,工作产生的噪声低；缺点是：输出电压比输入电压低，效率较低，负载大时发热量大，间接地给系统增加热噪声。 常用的线性集成稳压器大致可以分为3类：三端固定输出集成稳压器，三端可调集成稳压器，低压差线性集成稳压器。,7,2020/9/16,12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路,三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器，它将调整、输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件，只有输入、输出和公共接地3个引出端，通过外接

6、少量元器件即可实现稳压，使用非常方便，故称为三端集成稳压器。 典型产品有78xx正电压输出系列和79xx负电压输出系列。 其封装及外形如图所示。正负输出型的引脚排列不同。 78xx系列为：1脚输入, 2脚接地, 3脚输出； 79xx系列为：1脚接地, 2脚输入, 3脚输出。,8,2020/9/16,12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路,输出电压有5, 6, 9, 12, 15, 18 V和24 V等多种, 如7805, 7905, 7815和7915等。 78xx(79xx)系列的输出电流为1 A； 78Mxx(79Mxx)系列输出电流为0.5 A； 78Lxx(79Lxx)系列输出电

7、流为0.1 A。 78xx(79xx)系列属于线性稳压器, 要求输入电压比输出电压高出23V，否则就不能正常工作。 78xx(79xx)系列稳压器的优点是使用方便，不需作任何调整，外围电路简单，工作安全可靠，适合制作通用型、标称输出的稳压电源。其缺点是输出电压不能调整，不能直接输出非标称值电压，与一些精密稳压电源相比，其电压稳定度还不够高。,9,2020/9/16,12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路,图示为采用三端稳压器设计的单片机系统电源电路，可以提供+5V的数字电路电源和15 V的模拟电路电源，注意二者的“地”电位不同，在PCB电路设计中应遵循单点接地的原则。,10,2020/9

8、/16,12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路,78xx(79xx)系列是固定电压输出型，还有一类三端集成稳压器是输出可调型，如LM317和LM337。 LM317是正电压输出，其输出电压范围为1.2 37 V。 LM337是负电压输出，其输出电压范围为-1.2 -37 V。 可调型三端集成稳压器输出电流能力根据系列不同可以从0.15 A。例如： LM317L为0.1 A LM317H为0.5 A LM317为1.5 A LM318为5 A (电压为1.232 V) 。 负电压系列与此类似。,11,2020/9/16,12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路,可调型三端集成稳压器正负

9、电压输出型的引脚排列不同。 LM317（正输出型）为：1脚调整，2脚输出，3脚输入； LM337（负输出型）为：1脚调整，2脚输入，3脚输出。 可调型三端集成稳压器的外形（TO-220）和应用电路如图所示。图中的滤波电容最好采用钽电容，如果采用电解电容可选101000 F。 该电路的输出电压与 输入电压的关系为：,12,2020/9/16,12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路,三端集成稳压器输入/输出电压差在23V, 有的要达到4V以上。 有时系统中的输入电压、转换效率、散热条件等难以满足压差要求, 如电池供电系统利用3.6V产生3V的电压, 压差只有0.6V, 且转换效率也要求很

10、高, 显然前述三端稳压器难以满足。 低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator, LDO)在逐步取代传统的线性稳压器。 优点是输出噪声低, 纹波系数小, 电源电压影响小, 负载变化时输出电压相应变化速度快; 外部元件少(一般是输入/输出端各有12个电容器); 尺寸小; 在输出电流较小时, LDO的成本只有开关电源成本的几分之一。 缺点是效率相对较低, 会随着输出电压的降低而降低。例如, 某款LDO稳压器, 在输入电压为3.6V, 输出电压为3V时效率为83%, 而当输出电压差低到1.6V时, 效率降低为43%。此外, LDO稳压器只能用于降压场合。,13,2020/9/16,

11、12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路,LDO线性稳压器的种类较多, 如LP3871系列芯片是超低压差线性稳压器, 输入范围为2.57V, 输出电压规格有: 5.0, 3.3, 2.5和1.8V。在0.8A满载输出时压差为0.24V, 在输出电流为80mA时压差只有24mV。具有关断和故障输出功能, 关断后静态电流只有10nA, 便于系统内部电源管理。其封装和应用电路如图所示。,(/SD)是关断引脚, 不使用时需要接到VIN。 (/ERR)引脚在输出电压低于正常值10%时输出低电平。,14,2020/9/16,12.3 DC/DC供电电源,DC/DC模块是直流-直流转换器, 其功能是

12、：将直流电源电压转换为与之相同或不同的若干个直流电源电压, 以满足单片机系统对供电电源降压、升压及隔离的要求。 其工作原理是通过振荡电路和开关管把输入的直流电压转变为交流电压, 通过变压器变压之后, 再经过整流、滤波、稳压转换为直流电压输出。 在一些小功率电路中可不采用高频变压器, 而直接对功率开关器件输出的脉冲电压信号进行滤波。 从输入/输出的关系而言, DC/DC转换器有降压、升压及隔离3种形式的电路。,15,2020/9/16,12.3.1 降压型DC/DC电源电路,在单片机系统中, 有时需要输入电压为直流1428V, 输出电压为直流3.3V, 输出电流为2A的电源。如果采用线性稳压器来

13、实现, 效率太低, 显然是不合适的。因此可利用降压型DC/DC(集成)电源芯片实现。 LM22676系列稳压器是单片集成DC/DC变换电路芯片, 可用于实现降压开关稳压电源, 其优良的线性与负载调节特性如下： 输入电压范围为4.542V, 可以驱动电流高达3A的负载, 效率可达90%。 开关时钟频率为500kHz, 由内置振荡器提供。 芯片内部集成了自举二极管, 具有软启动功能, 使稳压器可以逐步到达初始稳态工作点, 从而降低浪涌电压和电流。 内置热关断和限流功能, 超过150的情况下保护芯片。 有使能控制输入端, 可使稳压器休眠至静态电流为25A的待机状态。,16,2020/9/16,12.

14、3.1 降压型DC/DC电源电路,LM22676的内部结构如图所示。,17,2020/9/16,12.3.1 降压型DC/DC电源电路,LM22676采用PSOP-8或TO-263封装，如图所示。,LM22676各引脚功能为： BOOT：提供高压侧NFET的触发电压。 NC：未连接。 FB：将输出反馈到内部电压误差放大器。 EN：使能控制，低电平时，稳压器关闭。 GND：接地。 VIN：输入电源电压。 SW：开关输出引脚。,18,2020/9/16,12.3.1 降压型DC/DC电源电路,采用LM22676-ADJ设计的降压变换的电源原理图如图所示。,19,2020/9/16,12.3.2 升

15、压型DC/DC电源电路,一些便携的单片机系统采用电池供电, 在系统内部需要高电压时, 可以采用DC/DC变换器进行升压, 满足系统的要求。 例如, 有一单片机系统输入电压范围为直流33.6V, 内部某单元电路需要12V电压, 电流最大为0.2A。可采用升压型DC/DC电源芯片LM2735X来实现。 LM2735是单片集成升压型DC/DC变换器, 输入电压范围为2.7 5.5V, 输出电压范围为324V, 低端开关电流能力最大为2.1A。外部元件少, 效率可达90%以上。开关时钟频率有两种, 分别为520 kHz (LM2735X)和1.6MHz(LM2735Y), 由内置振荡器提供。采用电流模

16、式控制, 内部具有补偿功能、热关断功能和软启动功能, 关断模式下静态电流消耗为80nA。它广泛应用于便携设备和USB供电设备。,20,2020/9/16,12.3.2 升压型DC/DC电源电路,LM2735内部结构如图所示。,21,2020/9/16,12.3.2 升压型DC/DC电源电路,LM2735的SOT23封装如图所示。各引脚的功能为： SW：内部功率开关输出引脚。 FB：反馈输入引脚，连接外部电阻分压器，用于决定输出电压。 EN：关断控制输入端。高电平允许芯片工作，不能悬空。 VIN：输入电源电压引脚。 GND：信号和电源地。,22,2020/9/16,12.3.2 升压型DC/DC电源电路,采用LM2735设计的升压变换电源的原理图如图所示。,23,2020/9/16,12.3.3 DC/DC模块电源的选择与应用,DC/DC集成稳压器应用时需要进行电路设计。目前有很多厂家已经设计好了成系列的DC/DC模块电源, 应用时可以直接选用。DC/DC模块电源具有体积小巧、性能稳定、使用方便的特点, 而且由于大规模生产, 使成本也很低。 DC/DC模块电源种类很多