2.4 电源电路

对于一个完整的嵌入式系统来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源供电模块的稳定可靠是嵌入式系统平稳运行的前提和基础，但却往往被忽略。如果嵌入式系统的电源供电模块设计合理且稳定可靠，那么整个系统的故障往往就会减少一大半。

电源供电模块以电源稳压部分为主体，外围辅助部分可包含过压过流保护部分、电压监控部分以及其他部分等。本节介绍电源稳压部分，其他部分参考有关书籍。

1.电源供电模块概述

电源供电模块包括前级和末级部分，如图2.35所示。

前级接嵌入式系统的主供电电源，可以是交流AC220V、设备电源、电池或计算机的USB电源之一，设备电源是指嵌入性设备或嵌入性设备所处环境提供的电源，例如汽车中的嵌入式系统是靠引擎驱动的发电机/电压调节系统供电的。前级的功能是对主供电电源进行整流和滤波，并将主供电电源的电压变换成符合末级集成稳压模块所需的输入电压。

末级的输入接前级的输出，末级由集成稳压电路组成，末级集成稳压电路的作用就是在供电电源电压波动和负载变动时，其输出的直流电压不受影响。根据嵌入式计算机系统的电源需求，末级可能需要若干集成稳压模块。

某些整流滤波模块和集成稳压模块带有控制端，这些端子可连接到嵌入式计算机系统的I/O引脚，通过逻辑电平信号对电源模块进行管理。

2.集成线性稳压电路

单片集成稳压电源具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。单片集成稳压电路分线性稳压电路和开关型稳压电路。线性稳压电路中三端固定式集成稳压器因线路简单，最为常用。三端固定式集成稳压器正电压输出的为78××系列，负电压输出的为79××系列。其中××表示固定电压输出的数值，如7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79××系列也与之对应，只不过是负电压输出。这类稳压器的最大输出电流为1.5A，塑料封装（TO-220）外形的最大功耗为10W（加散热器）；金属壳封装（TO-3）外形的最大功耗为20W（加散热器）。

其中78系列三端集成稳压器内部电路框图如图2.36所示。包括启动电路、基准电路、误差电路、过流过热保护电路和调整管等。

78/79系列固定输出三端集成稳压器的典型应用电路如图2.37所示。

在使用时必须注意VI和VO之间的关系。以W7805为例，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于7V，这样输入/输出之间就有2V的压差，使调整管保证工作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以两者应兼顾，即既要保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大。

3.低压差线性稳压电路

LDO（Low DropOut regulator，低压差线性稳压技术）：相对传统线性稳压技术，LDO输入和输出之间的电压差更低。传统78系列的输入和输出电压差在2～3V时才能正常工作，而低压差使输入输出电压差为1.2～1.5V即可正常工作。例如，5V输入、3.3V输出，3.3V输入、1.8V输出。这使输入输出间的电压差值范围更小，集成电路功耗更低。典型应用为LM1085和LM1117。

LM1085是一款典型的低压差线性稳压集成电路，输入输出电压差低至1.5V，输出电流可达3A。LM1085可以固定输出3.3V、5V、12V，也可通过引脚外围电阻设置调整输出，输出调整范围为1.2～15V。LM1085-3.3、LM1085-5、LM1085-12为三款低压差（LDO）固定输出集成电路，固定输出分别是3.3V、5V、12V，固定输出方式硬件电路简单，用法也相对固定，同78系列基本相同。其引脚和典型应用电路如图2.38所示。

LM1085-ADJ为输出电压可调节低压差集成电路，输出调整范围为1.2～15V，可以通过调节R1和R2阻值比值的大小来确定输出电压，如图2.39所示。

Uo=VREF（1+R2/R1）+IADJR2

其中，Uo为输出电压，单位为V；VREF为基准电压，VREF=1.25V；IADJ为基准电流，IADJ最大值为120μA（通常在计算中忽略）。实际应用中为了确定R1和R2阻值比值的大小，通常将R1固定，调节R2，达到调节输出电压的目的。因此在实际应用中上式可为

Uo=1.25（1+R2/R1）

LM108x系列集成电路型号较多，不同型号输出电流不同，例如LM1084输出电流达5 A，LM1086输出电流为1.5 A，其用法与LM1085相同。

LM1117也是一款低压差集成电路，可固定输出电压，也可调节输出电压，输出电压范围为1.5～15V，封装形式和用法与LM1085基本相同，其不同点如下：

① 输出固定电压值较多，电压低，精度高。固定输出集成电路有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的输出最大电流为800mA。

③ 可调输出基准电流IADJ不同。

LM1117输出可调原理与图2.39所示的基本相同，只是IADJ基准电流不同。LM1117基准电流为60μA，而LM1085基准电流为120μA，在R1和R2阻值比值计算过程中都可忽略，其他计算方法和硬件电路都相同。

根据LM1117的特点，输出电压低、功耗小，特别适合现代CPU供电、稳压。例如，FPGA芯片内核和I/O供电不同，甚至I/O之间供电电压不同，Cyclone芯片采用内核供电为1.7V，I/O供电为3.3V，通过LM1117-1.8V和LM1117-3.3两款芯片，不需要任何外围电路即可解决。

4.开关型稳压电路

采用线性稳压器件（如78××系列三端稳压器件）作为电压调节和稳压器件，可将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会有大的“热损失”[其值为V（压降）×I（负荷）]，实际工作效率仅为30%～50%。加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集，也加剧了系统的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。

而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止而无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。

采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是，开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。

LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52 kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路，具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力。LM2576系列包括 LM2576（最高输入电压40V）及LM2576HV（最高输入电压60V）两个系列。各系列产品均提供有3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、12V（-12）、15V（-15）及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。

LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下：

最大输出电流：3A；

最高输入电压：LM2576为40V，LM2576 HV为60V；

输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选；

振荡频率：52 kHz；

转换效率：75%～88%（不同电压输出时的效率不同）；

控制方式：PWM；

工作温度范围：-40℃～+125℃；

工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制；

工作模式控制：TTL电平兼容；

所需外部元件：仅4个（不可调）或6个（可调）；

器件保护：热关断及电流限制；

封装形式：TO-220或TO-263。

由LM2576构成的基本稳压电路仅需4个外围器件，其电路如图2.40所示。