【電路設(shè)計(jì)筆記3】如何根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的供電方案

前兩天，開(kāi)始我們樂(lè)創(chuàng)客第一塊開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)，當(dāng)我在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)一些電路設(shè)計(jì)軟件的使用，一些電路設(shè)計(jì)的方案，一些創(chuàng)新的想法，一些元器件的選型這些都是可以記錄成文，并且分享出來(lái)一起討論的。因此從本節(jié)文字開(kāi)始，正式開(kāi)啟電路【電路設(shè)計(jì)筆記】的更新。當(dāng)然，這里的部分電路是我用了非常多年的成熟電路，一些電路是我臨時(shí)創(chuàng)新想出的未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電路，這些沒(méi)有被驗(yàn)證的電路我會(huì)指出來(lái)，大家閱讀時(shí)如果發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題也希望不吝指出。

MCU 供電電路需求

對(duì)于一個(gè) MCU 電路來(lái)說(shuō)，其電源電路的需求主要來(lái)源于兩個(gè)方面。

第一個(gè)方面為輸入電源的參數(shù)，比如，當(dāng)一個(gè) MCU 電路電源的輸入與其他電路系統(tǒng)的輸入為同一個(gè)時(shí)，那么此時(shí)就需要考慮這個(gè)輸入電源的電壓，電流范圍，假設(shè)這個(gè)電源輸入是寬范圍輸入時(shí)，如輸入范圍為 5V~12V，那么我們?cè)谶x用電源芯片時(shí)也需要考慮這個(gè)電源芯片或者電路可以滿足寬范圍電壓輸入的要求。

考慮完電源輸入的電壓范圍之后，還需要看一下，這個(gè)輸入電源除了給 MCU 供電之外，還給其他哪些電路進(jìn)行供電。如果輸入 MCU 電源的電壓還給其他的一些感性系統(tǒng)供電時(shí)，應(yīng)考慮增加一些 EMI 電路（如電感，磁珠，電容）以消除這個(gè)感性系統(tǒng)帶來(lái)的電壓串?dāng)_。當(dāng)然，這些措施的預(yù)防性能有限，最好的辦法還是通過(guò)電源隔離和信號(hào)隔離來(lái)根除。

第二個(gè)方面需要考慮的是 MCU 電源電路的負(fù)載。由于 MCU 電源電路可能不僅僅只給 MCU 一個(gè)器件進(jìn)行供電，因此需要估算一下這個(gè)電源電路負(fù)載的大致范圍，有些 MCU 可能有不止一個(gè)電源，因此需要考慮每一路輸出電源的電壓，電壓的上電順序等，還需要考慮 MCU 電壓的穩(wěn)定程序，紋波等一系列的因素。

MCU 電源電路的負(fù)載其實(shí)很好估算，我們可以輕松的從這個(gè)電源電路負(fù)載的每個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找出每個(gè)器件的最大功率，然后將這個(gè)電源后面器件的總功率加起來(lái)就是這個(gè)電源電路大致估算的設(shè)計(jì)功率。如下圖所示，一個(gè) MCU 電源電路需要分別給 MCU，溫濕度傳感器，LCD，和 5 個(gè) LED 燈供電，這些器件的電壓都是 3.3V 的，而其最大工作電流很容易從數(shù)據(jù)手冊(cè)上面得知，因此可以估算使用 3.3V/800mA 輸出的 MCU 電源電路肯定可以滿足設(shè)計(jì)需求。

MCU 電源電壓的穩(wěn)定性一般常用的電源芯片都能滿足，而紋波則可以使用輸出電容進(jìn)行濾除，另外，給 MCU 增加退耦電容，以及退耦電容的布局和 Layout 也是非常重要的一個(gè)措施，退耦電容布局和 Layout 不當(dāng)，對(duì)于一些高頻 MCU，會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的后果，這個(gè)內(nèi)容我們以后可以專門(mén)講一下高頻電路的那些事。

這里還需要注意一點(diǎn)的是，電源穩(wěn)定度高，并不代表電源的精度就高，所以如果你想盡可能地提高 MCU 內(nèi)置 ADC 模擬參考電壓的精度，那么對(duì)于 ADREF 這樣子的電壓，一定要用 TL431 之類的高精度電源參考電壓芯片。

MCU 電源電壓方案

目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于 MCU 的電源解決方案主要分成三大類。

第一類即為我們最常見(jiàn)的使用 LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）或者線性穩(wěn)壓器來(lái)得到一個(gè)穩(wěn)定的 5V 或者 3.3V 輸出，然后供給 MCU。這里我們常見(jiàn)到的 LDO 有 AMS1117-3.3V，這個(gè)是專門(mén)用來(lái)產(chǎn)生一個(gè) 3.3V 電壓的 LDO 芯片，還有我們之前常用的一代經(jīng)典芯片 7805，這是專門(mén)用來(lái)產(chǎn)生一個(gè) 5V 電壓的線性穩(wěn)壓器芯片。

線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設(shè)備)作為 PNP. 這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。

上面的那段話其實(shí)不難理解，比如當(dāng)一個(gè)線性穩(wěn)壓器電路輸入電壓為 12V，輸出電壓為 5V 時(shí)，那么這個(gè)線性穩(wěn)壓器的輸入與輸出之前就有 7V 的壓差，這個(gè)壓差是線性穩(wěn)壓器通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部的三極管的 Vce 電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)分壓的（對(duì)應(yīng)圖中的 VDO）。因此，對(duì)于一個(gè)線性穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，它的 VDO 控制就是三極管的線性放大區(qū)域，是一個(gè)非常穩(wěn)定的電壓控制環(huán)路，它最大的好處就是線性電路的波動(dòng)比較小，因此可以很容易地得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。除了這個(gè)好處之外，還有一個(gè)好處就是線性穩(wěn)壓器組成的電源電路非常簡(jiǎn)單，只需要輸入輸出各加或者不加旁路電容即可正常工作。

除了上述兩個(gè)好處之外，線性穩(wěn)壓器幾乎就沒(méi)有其他好處了，首先，線性穩(wěn)壓器對(duì)輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差值是很敏感的，在早期的 LDO 沒(méi)被廣泛使用時(shí)，線性穩(wěn)壓器需要的輸入輸出壓差至少大于 2V 才能使電路正常工作。換句話說(shuō)，如果你想得到一個(gè) 3.3V 的電壓，那么輸入電壓至少要 5.3V 以上才能正常工作。而 LDO 的出現(xiàn)也只是將這個(gè)壓差減小而已。第二點(diǎn)線性穩(wěn)壓電路的問(wèn)題是，由于這個(gè)壓差是被內(nèi)部的三極管自身消耗掉的，而被三極管消耗的這些能量最終都是以熱的形式釋放掉，所以線性穩(wěn)壓器自身的發(fā)熱也很?chē)?yán)重，哪怕很輕的負(fù)載，你的手都能感覺(jué)到它的熱量。而這也導(dǎo)致了另外一個(gè)問(wèn)題，即線性穩(wěn)壓器的能量密度太低，哪怕 TO-220 這樣封裝的 7805，其輸出電流也才 1A。

第二類就是現(xiàn)在非常流行的 DC-DC 芯片了。DC-DC 芯片說(shuō)到底，其內(nèi)部就是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)不同的拓?fù)?BUCK，BOOST，BUCK-BOOST 即可實(shí)現(xiàn)降壓，升壓，升壓降壓等電源轉(zhuǎn)換。DC-DC 芯片除了電壓變換靈活以外還有一個(gè)非常優(yōu)秀的性能，即功率密度很高，以我常用的 MP2161 芯片來(lái)說(shuō)，SOT23 封裝（貼片三極管大?。┑男酒涂梢詽M足最大 2A 的電流輸出，而且輸出電壓最低可以達(dá)到 0.6V。

現(xiàn)在的絕大多數(shù) DC-DC 芯片都有內(nèi)置 MOS，因此無(wú)需外擴(kuò)任何開(kāi)關(guān)器件，如 MP2161，你只需外擴(kuò)一個(gè)功率電感，兩顆輸出反饋電阻和兩顆電容即可完成這個(gè)電源電路的設(shè)計(jì)。有些早期的 DC-DC 芯片可能需要外置一個(gè)功率二極管來(lái)完善其拓?fù)?，不過(guò)這種元器件現(xiàn)在已經(jīng)很少了。當(dāng)然，如果你覺(jué)得這個(gè) 2A 電流還不夠，你可以使用一個(gè)外部開(kāi)關(guān)器件來(lái)擴(kuò)充。

DC-DC 芯片也存在一些問(wèn)題，由于它是基于開(kāi)關(guān)電源的芯片，因此如果布線不當(dāng)，反而影響其輸出電壓的質(zhì)量，甚至干擾 MCU 的正常工作，因此在使用的時(shí)候一定要仔細(xì)地閱讀其數(shù)據(jù)手冊(cè)，因?yàn)槊總€(gè) DC-DC 的芯片手冊(cè)上面都有推薦的 PCB Layout。

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第三種方案，我個(gè)人覺(jué)得是最好的，只不過(guò)價(jià)格有點(diǎn)令人擔(dān)憂，這種方案就是使用第三方廠家的電源模塊，你可以選擇任何的電源模塊，如單路輸入，多電壓輸出，隔離電源模塊，隔離穩(wěn)壓模塊等，一般在做一些大型設(shè)備，高利潤(rùn)設(shè)備等控制電路板時(shí)，優(yōu)先推薦大家使用這種方案。平時(shí)就算了，因?yàn)樗膬r(jià)格可能可以抵得上你一塊廉價(jià)電路板和元器件的價(jià)格。