【電路設(shè)計筆記3】如何根據(jù)實際需求選擇合適的供電方案

前兩天，開始我們樂創(chuàng)客第一塊開發(fā)板的設(shè)計，當(dāng)我在進(jìn)行電路設(shè)計時，我發(fā)現(xiàn)一些電路設(shè)計軟件的使用，一些電路設(shè)計的方案，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，并且分享出來一起討論的。因此從本節(jié)文字開始，正式開啟電路【電路設(shè)計筆記】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，一些電路是我臨時創(chuàng)新想出的未經(jīng)過驗證的電路，這些沒有被驗證的電路我會指出來，大家閱讀時如果發(fā)現(xiàn)有問題也希望不吝指出。

MCU 供電電路需求

對于一個 MCU 電路來說，其電源電路的需求主要來源于兩個方面。

第一個方面為輸入電源的參數(shù)，比如，當(dāng)一個 MCU 電路電源的輸入與其他電路系統(tǒng)的輸入為同一個時，那么此時就需要考慮這個輸入電源的電壓，電流范圍，假設(shè)這個電源輸入是寬范圍輸入時，如輸入范圍為 5V~12V，那么我們在選用電源芯片時也需要考慮這個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，應(yīng)考慮增加一些 EMI 電路（如電感，磁珠，電容）以消除這個感性系統(tǒng)帶來的電壓串?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電源隔離和信號隔離來根除。

第二個方面需要考慮的是 MCU 電源電路的負(fù)載。由于 MCU 電源電路可能不僅僅只給 MCU 一個器件進(jìn)行供電，因此需要估算一下這個電源電路負(fù)載的大致范圍，有些 MCU 可能有不止一個電源，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)載其實很好估算，我們可以輕松的從這個電源電路負(fù)載的每個數(shù)據(jù)手冊中找出每個器件的最大功率，然后將這個電源后面器件的總功率加起來就是這個電源電路大致估算的設(shè)計功率。如下圖所示，一個 MCU 電源電路需要分別給 MCU，溫濕度傳感器，LCD，和 5 個 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措施，退耦電容布局和 Layout 不當(dāng)，對于一些高頻 MCU，會出現(xiàn)一些意想不到的后果，這個內(nèi)容我們以后可以專門講一下高頻電路的那些事。

這里還需要注意一點的是，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

目前來說，對于 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的使用 LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）或者線性穩(wěn)壓器來得到一個穩(wěn)定的 5V 或者 3.3V 輸出，然后供給 MCU。這里我們常見到的 LDO 有 AMS1117-3.3V，這個是專門用來產(chǎn)生一個 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，這是專門用來產(chǎn)生一個 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。

上面的那段話其實不難理解，比如當(dāng)一個線性穩(wěn)壓器電路輸入電壓為 12V，輸出電壓為 5V 時，那么這個線性穩(wěn)壓器的輸入與輸出之前就有 7V 的壓差，這個壓差是線性穩(wěn)壓器通過調(diào)節(jié)內(nèi)部的三極管的 Vce 電壓來實現(xiàn)分壓的（對應(yīng)圖中的 VDO）。因此，對于一個線性穩(wěn)壓器來說，它的 VDO 控制就是三極管的線性放大區(qū)域，是一個非常穩(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比較小，因此可以很容易地得到一個穩(wěn)定的輸出電壓。除了這個好處之外，還有一個好處就是線性穩(wěn)壓器組成的電源電路非常簡單，只需要輸入輸出各加或者不加旁路電容即可正常工作。

除了上述兩個好處之外，線性穩(wěn)壓器幾乎就沒有其他好處了，首先，線性穩(wěn)壓器對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 沒被廣泛使用時，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，如果你想得到一個 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)也只是將這個壓差減小而已。第二點線性穩(wěn)壓電路的問題是，由于這個壓差是被內(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)熱也很嚴(yán)重，哪怕很輕的負(fù)載，你的手都能感覺到它的熱量。而這也導(dǎo)致了另外一個問題，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 芯片說到底，其內(nèi)部就是一個開關(guān)電路，根據(jù)不同的拓?fù)?BUCK，BOOST，BUCK-BOOST 即可實現(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非常優(yōu)秀的性能，即功率密度很高，以我常用的 MP2161 芯片來說，SOT23 封裝（貼片三極管大小）的芯片就可以滿足最大 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，因此無需外擴(kuò)任何開關(guān)器件，如 MP2161，你只需外擴(kuò)一個功率電感，兩顆輸出反饋電阻和兩顆電容即可完成這個電源電路的設(shè)計。有些早期的 DC-DC 芯片可能需要外置一個功率二極管來完善其拓?fù)?，不過這種元器件現(xiàn)在已經(jīng)很少了。當(dāng)然，如果你覺得這個 2A 電流還不夠，你可以使用一個外部開關(guān)器件來擴(kuò)充。

DC-DC 芯片也存在一些問題，由于它是基于開關(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，因此在使用的時候一定要仔細(xì)地閱讀其數(shù)據(jù)手冊，因為每個 DC-DC 的芯片手冊上面都有推薦的 PCB Layout。

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第三種方案，我個人覺得是最好的，只不過價格有點令人擔(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，高利潤設(shè)備等控制電路板時，優(yōu)先推薦大家使用這種方案。平時就算了，因為它的價格可能可以抵得上你一塊廉價電路板和元器件的價格。