現代電子系統中電源技術的發展和應用

引 言
??? 綠色、環保、高效、節能，已成為當代電子系統發展的主流和趨勢。在現代電子系統中，數據處理速度越來越快，數據流量和存儲空間越來越大，系統穩定性、可靠性越來越高，而電子設備體積不斷減小，集成度不斷增高，功耗不斷降低。特別是現代手持便攜設備和遠程控制設備不僅要求電子系統集成度高、體積小，而且要求整個系統功耗低，電池在相同體積和功耗下待機時間更長。電子設備外形變得越來越簡單，終端產品變得更加小巧，集成電路生產商需要設計出更加緊湊小巧的封裝。由于系統內處理器、存儲器及其他集成電路數量不斷增加，產生更多熱量，使熱管理在系統設計中變得非常重要。這些因素給集成電路生產商和電子設計工程師帶來了更多挑戰。

1 電源技術的發展趨勢和種類
1．1 電源技術的發展趨勢
??? 現代電源起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流技術，其發展先后經歷了整流時代、逆變時代和變頻時代，推動了電源技術在許多新興領域的應用。20世紀80年代末期和90年代初期發展起來的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電源技術已經進入現代電源技術的新興時代。
??? 現代電源技術的發展趨勢：
??? ①綠色化、小型化。低功耗、低污染、低電流、高效率、高集成已成為現代電源技術的主流，電源技術的發展同時也依賴于電子元器件和集成電路的發展。
??? ②模塊化、智能化。電源技術模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開關電源將其功率開關管和各種輸出保護模塊集成在一起，使開關電源的體積進一步縮小。輸出穩壓電路模塊化，使電源在實際應用中更加靈活、方便、智能。
??? ③數字化、多元化。隨著數字技術的發展和成熟，現代電源更多地向數字化方向發展。采用數字技術可減小電源高頻諧波干擾和非線性失真，同時便于CPU數字化控制。
??? 現代電源具備良好的EMC特性，自身產生的高頻諧波功率逐漸減小，降低了對環境的“污染”，同時增強了電源本身抗干擾性能。
1．2 電源種類
??? 按輸入一輸出狀態分類：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。
??? 按工作狀態分類：線性電源、開關電源、二極管穩壓電源。
??? 按同負載連接穩壓方式分類：串聯型穩壓電源、并聯型穩壓電源。
??? 按輸出電壓調整方式分類：固定輸出電源、可調電源。隨著電源技術的發展，電源分類和界定越來越模糊。例如，LA76810電視接收機集成音頻功放AN5265采用9 V直流供電，而電視接收機并不是采用9 V直流直接輸出或穩壓塊7809輸出，而是采用7812輸出后由9 V穩壓二極管穩壓并給集成電路供電。
??? 對于固定電源與可調電源，78系列和79系列是電子工程師常用的固定電壓穩壓輸出集成電路，317和337是常用可調電壓輸出集成電路。而現在1085可以是3．3 V輸出，也可以是1．7 V輸出，只需改變集成電路外圍電阻。
??? 開關電源以其體積小、效率高、環路PWM控制、輸出短路和過載保護等特性已占領了電源市場，線性電源已經完成了使命，逐步退出歷史舞臺。

2 低功耗管理策略
??? 隨著IT技術發展，電子信息行業從模擬時代過渡到數字時代，從分離晶體管時代過渡到集成電路時代，從純硬件電路過渡到軟硬件相結合、操作系統可裁減的嵌入式系統。數字技術高速發展，對電子系統低能耗要求越來越高，電子工程師想出各種解決方法和策略。
??? (1)OPU低功耗電源策略
??? 現代CPU為降低系統功耗，無論在軟件上還是硬件上都支持電源低功耗管理模塊APM(Advanced Power Management)、高級配置和電源接口ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)，對多個電源轉換模塊和外部元件通過數字內核和內部通信接口進行控制，以提供更高的系統性能、可靠性以及更低的功耗；對APM和ACPI進行創新和運用，并引入CPU系統內核和I／O中，特別是嵌入式系統和FPGA系統。
??? 例如，FPGA系統電源功耗一般取決于以下因素：內部資源使用頻率、工作時鐘頻率、輸出變化頻率、布線密度、I／O電壓等。不同應用電源實際功耗相差非常大，根據采用FPGA系列不同、內核和I／O供電電壓不同，可能是3．3 V、2．5 V、1．8 V和1．5 V。

?(2)靜態與動態電源低功耗策略
??? 靜態電源策略是指系統在初始化過程中的電源低功耗管理技術，其功能和管理模式隨系統初始化確定。動態電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術。調整程序運行頻率，當系統忙時提高CPU運行速度，系統空閑時使CPU處于睡眠狀態；降低I／O口的平均電流和電壓，在電流和壓電不變時降低供電時間，從而降低系統功耗。
??? 靜態電源管理策略在初始化過程中確定，在實際應用中局限性很大；而動態電源管理技術是在程序運行過程中動態控制整個系統能耗，并采用各種措施降低功耗，應用更加廣泛。
3 低功耗集成電路的應用
3．1 78和79系列電源穩壓集成電路
??? 78和79系列分別是正電壓和負電壓串聯穩壓集成電路，體積小、集成度高、線性調整率和負載調整率高，在線性電源時代占領了很大市場。LM7805為固定+5 V輸出穩壓集成電路(采取特殊方法也可使輸出高于5 V)，最大輸出電流為1 A，標準封裝形式有TO-220、TO-263。78和79系列集成電路應用相對固定，電路形式簡單，只是正負直流電壓輸出時應注意變壓器最小輸出功率和最小輸出電壓，如圖1所示。

??? 根據能量守恒原則，在理想狀態下電源輸入輸出功率相等。在實際中，考慮銅損和其他元器件的損耗，電源的輸出功率小于輸入功率。78系列和79系列穩壓前后直流電壓差為2～3 V。由于為正負雙電源輸出，穩壓前后直流電壓差應為5～6 V。
3．2 LDO
??? LDO(LOW DropOut regulator，低壓差線性穩壓技術)：相對傳統線性穩壓技術，LDO輸入和輸出之間電壓差更低。傳統78系列輸入輸出電壓差2～3 V才能正常工作，而低壓差使輸入輸出電壓差為1．7 V即可正常工作。例如，5 V輸入、3．3 V輸出，3．3 V輸入、1．7 V輸出。這使輸入輸出間差值范圍更小，集成電路功耗更低。典型應用為LM1085和LM1117。

3．2．1 LM1085應用
??? LM1085是一款典型的低壓差線性穩壓集成電路，輸入輸出電壓差低至1．5 V，輸出電流可達3 A。LM1085可以固定輸出3．3 V、5 V、12 V，也可通過引腳外圍電阻設置調整輸出，輸出調整范圍為1．2～15 V。LM1085-3．3、LM1085-5、LM1085-12為三款低壓差(LDO)固定輸出集成電路，固定輸出分別是3．3 V、5 V、12 V，固定輸出方式硬件電路簡單，用法也相對固定，同78系列基本相同。封裝形式有TO-220、TO-263，如圖2和圖3所示。

??? LM1085-ADJ為輸出電壓可調節低壓差集成電路，輸出調整范圍為1．2～15 V，可以通過調節R1和R2阻值比值的大小確定輸出電壓，如圖4所示。

??? Uo=VREF(1+R2／R1)+IADJR2
??? 其中Uo為輸出電壓，單位為V；VREF為基準電壓，VREF=1．25 V；IADJ為基準電流，IADJ最大值為120μA(通常在計算中忽略)。
??? 實際應用中為了確定R1和R2阻值比值的大小，通常將R1固定，調節R2，達到調節輸出電壓的目的。因此在實際應用中上式可為：
??? Uo=1．25·(1+R2／R1)
??? LM108x系列集成電路型號較多，不同型號輸出電流不同，例如LM1084輸出電流達5 A，LM1086輸出電流為1．5 A，其用法與LM1085相同。
3．2．2 LM1117應用
??? LM1117也是一款低壓差集成電路，可固定輸出電壓也可調節輸出電壓，輸出電壓范圍為1．5～15 V，封裝形式和用法LM1085基本相同，其不同點有：
??? ①輸出固定電壓值較多，電壓低，精度高。固定輸出集成電路有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的輸出最大電流為800 mA。
??? ③可調輸出基準電流IADJ不同。
??? LM1117輸出可調原理與圖4所示基本相同，只是IADJ基準電流不同。LM1117基準電流為60 μA，而LM1085基準電流為120 μA，在R1和R2阻值比值計算過程中都可忽略，其他計算方法和硬件電路都相同。
??? 根據LM1117的特點，輸出電壓低、功耗小，特別適合現代CPU供電、穩壓。例如，FPGA芯片內核和I／O供電不同，甚至I／O之間供電電壓不同，Cyclone芯片采用內核供電為1．7 V，I／O供電為3．3 V，通過LM1117-1．8和LM1117-3．3兩款芯片，不需任何外圍電路即可解決。

結 語
??? 電子技術的發展使電源技術這一多學科的邊緣交叉技術突飛猛進。電源技術的創新，推動電源技術迅速發展，將為生產力的發展和科學技術的進步做出更大的貢獻。電源技術和電源設備即將成為新世紀電子設備的主導技術和主流產品。