低成本，低功耗，高集成度的单片机电源系统设计

 

第一节电源电路简介

依据工作方式的不同，电源一般可以分为开关电源和线性电源两类:

 

1.开关电源开关电源

通过改变功率元件的通/断状态来实现对电源的电平、电流控制。最常见的开关电源电路即PWM开关电源，它输出改变输出PWM信号的占空比来调节功率元件的输出电平。配合导通电阻小的功率管，开关电源可以实现很高的转换效率，因为功率管在导通或关断的状态中其自身的伏一安乘积，即其自身的功率损耗总是很小。但是，在PWM开关电源中，由于功率管输出的电源变化剧烈，为了对其整流，往往需要电感元件与电容元件配合实现，而电感器件体积较大，并且不适于集成在芯片电路中，不利于精简外部电路。此外，由于PWM开关电源以开关方式工作，往往会伴随着比较严重电磁干扰(EMI)问题，不利于应用在某些包含高精密电路的环境中，例如高精度公△ADC电路等等。因此，PwM开关电源往往应用在功率消耗较高，对电源效率要求高，但对电源噪声要求不高的系统中。除了PWM开关电源外，我们也可利用电容储存电荷的原理，构建出电容开关电源，因其工作原理为搬运电荷，故又称之为电荷泵电路。

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第二节设计需求

本文中所讨论的电源电路应用于一8位单片机系列产品中，该系列产品涵盖了电机控制、汽车应用、电力仪表、厨房家电等相当广泛的应用，涉及实时高速ADC采样、RTC控制、深度休眠、快速上电冲击等多种系统应用需求。

1 全内建:受限于应用环境的体积限制，要求电源系统不可使用外部元件，所有电路组件完全内建。

2 低功耗:为了响应节约能源的潮流，系统设计了耗电10林A以内的待机模式。在该模式下，系统中仅低电平检测电路，实时时钟电路仍在工作，其他电路进入休眠状态，电源系统应可支持该模式工作并满足整体功耗限制。在正常工作模式下，电源电路应可支持巧mA以内的负载电流，在待机模式下，电源电路也应可支持100林A以内的负载电流。

3 宽电压:系统外部电源为SV系统，但可能采取备用电池供电，电平区间在5.5V一2.0V之间，在该范围内要求电源系统可以稳定供应系统1.8V电源工作。在外部电平发生变化时，电源电路输出的电平变化幅度不可超过50mV，在待机模式下可放宽至100mV。

4 低噪声:因系统中存在高位ADC等精密电路，故对电源纹波要求较高，避免产生干扰。低成本:该系列产品有较严格的成本控制，为保证系统电源稳定，系统中可以添加400pF以内的稳压电容，电源电路设计中应注意控制电路面积，避免增加成本。此外，考虑到单片机系统电路的实现，在制造工艺上需要选择主流应用的逻辑制程。本例所采用的制造工艺是和舰0.18卜mFlash，该制程相对较为成熟，可以提供单片机灵活的编程控制，并且有可靠的量产保证，成本结构相对较优。

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第二章电源的架构选取

 

由于BOM成本等各方面的限制，所有电路要在芯片内部实现，而开关电路需要电感或电容作为电荷的储存/搬运载体，但为达到较高的输出电流，需在芯片内集成大容量的电感或电荷作储能元件，这往往难以做到。反观线性电源，并联式电源结构简单，可靠，但效率较差，并且需要依赖稳压二极管的作用，一般应用于分立器件，并不适合芯片内部集成。相比之下，首先考虑到的就是串联式线性电源。

 

第一节PMOS输出，共源放大器结构的线性电源

串联式线性电源的核心是高增益的电压误差放大器，由其控制功率元件的导通状态，由功率元件及控制方式的不同我们还可对它做进一步区分。功率有源元件的实现方式有双极型晶体管与CMOS管两种，因本设计以CMOS工艺实现，无法实现完全独立的双极型晶体管，故在功率器件上的选择也就局限于CMOS工艺的PMOS管与NMOS管两类。

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第二节PMOS输出，电流源映射结构的线性电源

实际上，除了误差放大器的结构外，PMOS输出的线性电源也可以设计为其他一些结构，比如常用的电流源结构

我们在附录[4】中看到的电路就属于这一类:

它的功耗会随着负载功耗的上升而增加，非常适合低功耗应用的场合。但这样的电路是单级结构，增益相对较低，较难精确控制电平。

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第三章模块划分与定义··········8

第一节电源系统框图········8

第二节误差放大器规格···············9

第三节电荷泵电路规格·············20

第四节带隙电压源规格············21

第五节箱位电路规格··············21

第四章模块电路设计···············22

第一节整体规划···················22

第二节带隙电压源··················22

第三节误差放大器与籍位电路···············27

第四节电荷泵电路·············33

第五节整体性能仿真··········32

 

第四章模块电路设计

 

第一节整体规划

综合以上各项设计目标，确立整体电路工作方式为分段解决的方案:在通常工作模式下，根据工作电压不同划分为三个区间，以低电压检测电路自动切换工作模式。其中，当电源电平高于4V时，电荷泵电路不工作，直接用电源电平驱动误差放大器电路，当电源电平低于3V时，电荷泵电路工作于两倍压模式下，若电源电平处于两者之间，电荷泵电路则以1.5倍压模式工作，在电荷泵电路工作模式切换时，输出电平不会受到任何影响。在低功耗工作模式下，电荷泵电路以32KHz时钟驱动，仍以低电压检测电路控制选择倍压比，通过长沟道开关联接输出功率管的栅极，使用比较器控制长沟道开关的启闭。这样，以滞回控制的方式，维持输出电平基本保持在1.8V附近。该方案的优点是:在工作状态切换过程中，误差放大器电路的输出点，大电容上的电平基本维持不变，从而保证切换动作可以迅速完成，无需复杂的系统时序配合。在此过程中，最终电路输出上也能承受较大的电流波动。

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结论

 

反过来，由通常工作状态切换进入低功耗模式时，输出电平会因负载电流减弱而出现抬升，为保证电路状态转换平稳，系统上设定在系统中CPU等重负载电路停止工作30林S以后电源电路才’会切换进入低功耗模式。这一点，可以从上面几图的波形中清晰看出，在电源电路仍处于正常工作模式中时，仍保有一定的对地负载，因负载减轻而抬升的电平在即微秒后即恢复正常，而当电路完全进入低功耗模式后，因负载极其微弱，略微抬升的电平下降速度也变得十分缓慢了。

为了便于观察电源输出的波动情况，上面几图放大了黄色信号波形的幅度，从中可以观察到电路滞回控制方式引起的电平波动输出，而波动幅度基本控制在100mV左右，可以满足系统要求。综合来看，本电路较好地实现了设计意图，具备低成本、低功耗、高集成度的特点，在单片机一类的微控制器内具有广泛的应用前景。

参考文献（略）