現代電源技術(shù)的發(fā)展和低功耗集成電路的應用
綠色環(huán)保已成為各行業(yè)開(kāi)展一個(gè)定向趨向，如何做到環(huán)保且高效節能已成為當代搶手話(huà)題。在現代電子系統中，數據處置速度越來(lái)越快，數據流量和存儲空間越來(lái)越大，系統穩定性、牢靠性越來(lái)越高，而電子設備體積不時(shí)減小，集成度不時(shí)增高，功耗不時(shí)降低。特別是現代手持便攜設備和遠程控制設備不只請求電子系統集成度高、體積小，而且請求整個(gè)系統功耗低，電池在相同體積和功耗下待機時(shí)間更長(cháng)。電子設備外形變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，終端產(chǎn)品變得愈加小巧，集成電路消費商需求設計出愈加緊湊小巧的封裝。由于系統內處置器、存儲器及其他集成電路數量不時(shí)增加，產(chǎn)生更多熱量，使熱管理在系統設計中變得十分重要。這些要素給集成電路消費商和電子設計工程師帶來(lái)了更多應戰。電源技術(shù)的創(chuàng )新，勢必要推進(jìn)電源技術(shù)疾速開(kāi)展。
電源技術(shù)的開(kāi)展趨向和品種
1．1電源技術(shù)的開(kāi)展趨向
現代電源起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流技術(shù)，其開(kāi)展先后閱歷了整流時(shí)期、逆變時(shí)期和變頻時(shí)期，推進(jìn)了電源技術(shù)在許多新興范疇的應用。20世紀80年代末期和90年代初期開(kāi)展起來(lái)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，標明傳統電源技術(shù)曾經(jīng)進(jìn)入現代電源技術(shù)的新興時(shí)期。
現代電源技術(shù)的開(kāi)展趨向：
�、倬G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(shù)的主流，電源技術(shù)的開(kāi)展同時(shí)也依賴(lài)于電子元器件和集成電路的開(kāi)展。
�、谀K化、智能化。電源技術(shù)模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開(kāi)關(guān)電源將其功率開(kāi)關(guān)管和各種輸出維護模塊集成在一同，使開(kāi)關(guān)電源的體積進(jìn)一步減少。輸出穩壓電路模塊化，使電源在實(shí)踐應用中愈加靈敏、便當、智能。
�、蹟底只�、多元化。隨著(zhù)數字技術(shù)的開(kāi)展和成熟，現代電源更多地向數字化方向開(kāi)展。采用數字技術(shù)可減小電源高頻諧波干擾和非線(xiàn)性失真，同時(shí)便于CPU數字化控制。
現代電源具備良好的EMC特性，本身產(chǎn)生的高頻諧波功率逐步減小，降低了對環(huán)境的“污染”，同時(shí)加強了電源自身抗干擾性能。
1．2電源品種
按輸入一輸出狀態(tài)分類(lèi)：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。
按工作狀態(tài)分類(lèi)：線(xiàn)性電源、開(kāi)關(guān)電源、二極管穩壓電源。
按同負載銜接穩壓方式分類(lèi)：串聯(lián)型穩壓電源、并聯(lián)型穩壓電源。
按輸出電壓調整方式分類(lèi)：固定輸出電源、可調電源。隨著(zhù)電源技術(shù)的開(kāi)展，電源分類(lèi)和界定越來(lái)越含糊。例如，LA76810電視接納機集成音頻功放 AN5265采用9V直流供電，而電視接納機并不是采用9V直流直接輸出或穩壓塊7809輸出，而是采用7812輸出后由9V穩壓二極管穩壓并給集成電路供電。
關(guān)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。而如今1085能夠是3．3V輸出，也能夠是1．7V輸出，只需改動(dòng)集成電路外圍電阻。
開(kāi)關(guān)電源以其體積小、效率高、環(huán)路PWM控制、輸出短路和過(guò)載維護等特性已占領(lǐng)了電源市場(chǎng)，線(xiàn)性電源曾經(jīng)完成了任務(wù)，逐漸退出歷史舞臺。
低功耗管理戰略
隨著(zhù)IT技術(shù)開(kāi)展，電子信息行業(yè)從模仿時(shí)期過(guò)渡到數字時(shí)期，從別離晶體管時(shí)期過(guò)渡到集成電路時(shí)期，從純硬件電路過(guò)渡到軟硬件相分離、操作系統可裁減的嵌入式系統。數字技術(shù)高速開(kāi)展，對電子系統低能耗請求越來(lái)越高，電子工程師想出各種處理辦法和戰略。
(1)OPU低功耗電源戰略
現代CPU為降低系統功耗，無(wú)論在軟件上還是硬件上都支持電源低功耗管理模塊APM(AdvancedPowerManagement)、高級配置和電源接口A(yíng)CPI(AdvancedConfigurationandPowerInteRFace)，對多個(gè)電源轉換模塊和外部元件經(jīng)過(guò)數字內核和內部通訊接口停止控制，以提供更高的系統性能、牢靠性以及更低的功耗；對APM和ACPI停止創(chuàng )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系統電源功耗普通取決于以下要素：內部資源運用頻率、工作時(shí)鐘頻率、輸出變化頻率、布線(xiàn)密度、I／O電壓等。不同應用電源實(shí)踐功耗相差十分大，依據采用FPGA系列不同、內核和I／O供電電壓不同，可能是3．3V、2．5V、1．8V和1．5V。
(2)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電源低功耗戰略
靜態(tài)電源戰略是指系統在初始化過(guò)程中的電源低功耗管理技術(shù)，其功用和管理形式隨系統初始化肯定。動(dòng)態(tài)電源戰略是指CPU運轉過(guò)程中的低功耗技術(shù)。調整程序運轉頻率，當系統忙時(shí)進(jìn)步CPU運轉速度，系統閑暇時(shí)使CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I／O口的均勻電流和電壓，在電流和壓電不變時(shí)降低供電時(shí)間，從而降低系統功耗。
靜態(tài)電源管理戰略在初始化過(guò)程中肯定，在實(shí)踐應用中局限性很大；而動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)是在程序運轉過(guò)程中動(dòng)態(tài)控制整個(gè)系統能耗，并采用各種措施降低功耗，應用愈加普遍。
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(lián)穩壓集成電路，體積小、集成度高、線(xiàn)性調整率和負載調整率高，在線(xiàn)性電源時(shí)期占領(lǐng)了很大市場(chǎng)。LM7805為固定 +5 V輸出穩壓集成電路(采取特殊辦法也可使輸出高于5 V)，最大輸出電流為1 A，規范封裝方式有TO-220、TO-263。78和79系列集成電路應用相對固定，電路方式簡(jiǎn)單，只是正負直流電壓輸出時(shí)應留意變壓器最小輸出功率和最小輸出電壓，如圖1所示。
依據能量守恒準繩，在理想狀態(tài)下電源輸入輸出功率相等。在實(shí)踐中，思索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(xiàn)性穩壓技術(shù))：相對傳統線(xiàn)性穩壓技術(shù)，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才干正常工作，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L(cháng)M1085和LM1117。
3．2．1 LM1085應用
LM1085是一款典型的低壓差線(xiàn)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能夠固定輸出3．3 V、5 V、12 V，也可經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單，用法也相對固定，同78系列根本相同。封裝方式有TO-220、TO-263，如圖2和圖3所示。
LM1085-ADJ為輸出電壓可調理低壓差集成電路，輸出調整范圍為1．2～15 V，能夠經(jīng)過(guò)調理R1和R2阻值比值的大小肯定輸出電壓，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(通常在計算中疏忽)。
實(shí)踐應用中為了肯定R1和R2阻值比值的大小，通常將R1固定，調理R2，到達調理輸出電壓的目的。因而在實(shí)踐應用中上式可為：
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理輸出電壓，輸出電壓范圍為1．5～15 V，封裝方式和用法LM1085根本相同，其不同點(diǎn)有：
�、佥敵龉潭妷褐递^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。
�、诠牡�，功率小。LM1117的輸出最大電流為800 mA。
�、劭烧{輸出基準電流IADJ不同。
LM1117輸出可調原理與圖4所示根本相同，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(guò)程中都可疏忽，其他計算辦法和硬件電路都相同。
依據LM1117的特性，輸出電壓低、功耗小，特別合適現代CPU供電、穩壓。例如，FPGA芯片內核和I／O供電不同，以至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，經(jīng)過(guò)LM1117-1．8和LM1117-3．3兩款芯片，不需任何外圍電路即可處理。
結 語(yǔ)
電子技術(shù)的開(kāi)展使電源技術(shù)這一多學(xué)科的邊緣穿插技術(shù)突飛猛進(jìn)。電源技術(shù)的創(chuàng )新，推進(jìn)電源技術(shù)疾速開(kāi)展，將為消費力的開(kāi)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步做出更大的奉獻。電源技術(shù)和電源設備行將成為新世紀電子設備的主導技術(shù)和主流產(chǎn)品。
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