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如何為處理器、微控制器和高功率器件選擇電源拓撲

本文作者：Jan Michael Gonzales 點擊： 2025-05-08 14:57

前言：

作者：Jan Michael Gonzales，產品應用資深工程師 Ralph Clarenz Matocinos，產品應用助理工程師 Christian Cruz，產品應用資深工程師

摘要

本文是一份詳盡的指南，旨在說明如何為處理器、微控制器和高功率信號鏈選擇合適的電源拓撲。本文強調了高效可靠的功率轉換在信號鏈中的重要作用，并著重說明了此類結構緊湊但功能強大的電源器件在不同電子應用中的重要性。無論是在消費電子應用還是工業自動化環境中，處理器和微控制器等器件都是主要處理單元，需要穩定且精確調節的電源才能實現出色性能。本指南同時還強調，選擇合適的電源架構對于確保系統無縫高效運行具有重要意義。

簡介

本文將深入探討低壓差(LDO)穩壓器、降壓、升壓、降壓-升壓和單輸入多輸出(SIMO)等電源拓撲在實際使用中需要考慮哪些因素，并評估其應用、重要性、優點和缺點。評估旨在通過提供實用的見解，幫助工程師在設計過程中做出明智的決策。

內核電壓穩定的重要性

在深入研究電源拓撲的細節之前，必須了解維持處理器和微控制器內核電壓穩定的重要性。

? 性能：穩定的內核電壓可確保器件性能一致且可靠，防止發生意外崩潰、故障或不穩定行為。

? 電源效率：實現良好調節的內核電壓可充分降低電力損耗，從而提升系統的整體能效。

? 使用壽命長：電壓波動會導致器件過早磨損，縮短其使用壽命。

? 電磁兼容性(EMC)：穩定的內核電壓有助于減少電磁干擾(EMI)，從而滿足EMC標準要求，這對于醫療設備和航空航天系統等敏感應用至關重要。

? 抗擾度：適當的電壓調節可以保護器件免受外部電噪聲的影響，增強其在高噪聲環境中的可靠性。

圖1.線性穩壓器ADP7142可提供1.8 V輸出軌。

常見電源拓撲

微處理器和微控制器常用的電源拓撲包括線性穩壓器和開關模式電源(SMPS)。降壓、升壓、降壓-升壓轉換器和SIMO轉換器都屬于SMPS。每種拓撲都有其優點和缺點。下面深入探討這些拓撲，以便全面了解這些拓撲。

線性穩壓器

線性穩壓器是簡單易用、高性價比的解決方案，適合低功耗應用。無論輸入電壓如何變化，它都能提供恒定的輸出電壓，多余的電壓以熱量的形式耗散。然而，由于功耗原因，其在大電流應用中效率低下。圖1顯示了一個線性穩壓器。

使用LDO穩壓器進行設計時，有很多因素需要考慮。表1列出了其優點和缺點。

表1.LDO的優點和缺點

即使輸入電壓接近所需電平，LDO穩壓器也能保持穩定的輸出電壓，從而確保在低輸入功率下實現可靠的性能。	當輸入和輸出電壓相差很大時，LDO穩壓器的效率非常低，多余的功率會轉化為熱量。在這種情況下，開關穩壓器可能是更節能的選擇。
憑借非常低的輸出噪聲，LDO穩壓器在需要提供干凈、穩定電壓的應用中，例如精密模擬電路和敏感的微控制器中，表現出色。	與開關穩壓器相比，LDO穩壓器的電流處理能力較低，因此不適合高功率應用或有大電流需求的應用。
與開關穩壓器等替代方案相比，LDO穩壓器設計更簡單，需要的外部元件更少，因此能夠節省PCB空間并降低復雜性。	LDO穩壓器往往會因功率耗散而產生熱量，尤其是在高功率情況下。適當的熱管理對于防止過熱至關重要。
LDO穩壓器能夠快速響應負載變化，因此非常適合微控制器和數字處理器等動態應用。	LDO穩壓器要求輸入電壓高于所需輸出電壓，這使其在電池供電設備中的應用受限，因為電池電壓往往接近所需輸出電壓。
超低靜態電流版本的LDO穩壓器可提升電池供電設備的效率，有效降低待機功耗。	雖然LDO穩壓器在許多場景中都具有高性價比，但與開關穩壓器相比，它們可能不是大電流或高效率應用最經濟實惠的選擇。
LLDO穩壓器具有出色的輸出電壓精度，非常適合需要精確電壓調節能力的應用。	如果輸入電壓明顯高于所需輸出電壓，LDO穩壓器可能需要額外的元件（如散熱器或復雜的保護電路）才能有效運行。

開關模式電源(SMPS)

SMPS由于其高效率而成為微處理器和微控制器常用的拓撲結構。SMPS通過快速開關功率器件（通常是晶體管），將輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。它能實現精確的電壓調節，充分降低功耗。圖2展示了降壓、升壓和降壓-升壓拓撲。

圖2.降壓、升壓和降壓-升壓拓撲是三種基本SMPS拓撲1

使用SMPS時，應考慮多方面因素，包括其優點和缺點。表2概述了這些重要方面。

表2.SMPS的優點和缺點

優點	缺點
SMPS效率非常高，作為熱量浪費的功率比線性穩壓器少，因而是節能設備和電池供電應用的理想解決方案。	SMPS的設計和實現比線性穩壓器更復雜，需要額外的元件和先進的控制電路。這種復雜性會增加開發成本，并帶來可靠性挑戰。
SMPS能夠處理寬輸入電壓范圍，非常適合需要處理波動或不穩定電源的應用。	SMPS會產生EMI，可能影響附近的元件。因此，需要采取額外的濾波和屏蔽措施來緩解潛在的問題。
SMPS結構緊湊、重量輕，在尺寸和重量方面均優于線性電源，這使其成為存在嚴格約束的應用的優選方案。	某些SMPS設計的輸出電壓紋波可能比線性穩壓器高，這對要求超低噪聲水平的應用構成了挑戰。
即使輸入變化不定，SMPS也能提供穩定的輸出電壓，這對于實現電子設備的可靠供電具有重要意義。	盡管SMPS效率很高，但由于需要額外的元件和控制電路，因此制造和設計成本較高。
SMPS具有快速瞬態響應特性，是需要快速調整以適應負載變化的應用的優選方案。	SMPS并非萬能解決方案，尤其不適合擔心電噪聲或干擾，或需要干凈直流輸出的應用場景。
多功能性是SMPS的一項重要優勢，它可以根據各種輸出電壓和電流要求進行定制，從而滿足不同的應用需求。	某些SMPS設計的最大電流處理能力存在限制。對于高功率應用，可能需要較大、較復雜的SMPS系統。
由于產生的熱量極少，SMPS在需要優先考慮有效散熱的應用中具有優勢。

SMPS的類型

降壓轉換器

降壓轉換器是一種特定類型的SMPS，可將輸入電壓降至較低的輸出電壓。它廣泛用于為微控制器和低功耗微處理器供電。降壓轉換器的工作原理是開關器件（通常為晶體管），將能量儲存在電感和電容中，然后以受控方式將其傳送到輸出端。圖3展示了系統級解決方案中使用的降壓轉換器，它能高效地將高壓軌轉換為3.3 V。

圖3. LT8631 微功耗降壓轉換器解決方案。

選擇降壓轉換器作為電源拓撲時，必須權衡其優缺點。表3總結了這些關鍵考慮因素。

表3.降壓轉換器的優點和缺點

優點	缺點
降壓轉換器以高效地將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓而著稱。與線性穩壓器相比，它以熱量形式浪費的能量更少。	降壓轉換器需要復雜的控制電路才能正常工作，這會增加設計復雜性，并可能出現可靠性問題。
由于效率高，降壓轉換器產生的熱量較少，這對于注重熱管理的應用至關重要。	降壓轉換器的開關動作會產生EMI，因此可能需要額外的濾波和屏蔽措施。
降壓轉換器通常比線性穩壓器更小更輕，適合對尺寸和重量有限制的應用。	與線性穩壓器相比，某些降壓轉換器設計可能具有更高的輸出電壓紋波。對于要求超低噪聲水平的應用來說，這可能是一個問題。
降壓轉換器支持非常寬的輸入電壓范圍，能夠與可變或不穩定的電源配合使用。	降壓轉換器只能降低輸入電壓，不適合要求輸出電壓高于輸入電壓的應用。
降壓轉換器具有快速瞬態響應特性，適合需要快速調整以適應負載條件變化的應用。	某些降壓轉換器設計的最大電流處理能力存在限制。高功率應用可能需要更復雜的降壓轉換器配置。
即使輸入電壓波動，降壓轉換器也能提供穩定且調節良好的輸出電壓。	為降壓轉換器設計和選擇元件時可能面臨一些挑戰，需要仔細考慮電感選擇、開關頻率、控制環路設計等因素。
降壓轉換器常用于能效至關重要的電池供電設備。它能有效降低功率損耗，從而有助于延長電池續航時間。

SIMO轉換器

SIMO是一種創新的電源管理技術，可通過單個電感提供多個穩壓輸出。2傳統電源管理電路通常需要為每個輸出配備單獨的電感，因此元件數量較多，占用電路板空間較大，且能量損耗也較高。SIMO簡化了設計，讓多個輸出通道共享單個電感，從而提高了效率并減小了整體尺寸。圖4展示了用于為多個輸出軌供電的SIMO設計。

采用SIMO轉換器作為電源拓撲時，必須考慮多種因素。表4簡要列出了這種方案的優點和缺點。

表4.SIMO轉換器的優點和缺點

優點	缺點
SIMO技術通過讓多個輸出共享單個電感來提高電源效率，減少能量損失——這對于電池供電設備而言是一大福音。	與傳統電源解決方案相比，SIMO實現方案在控制和調節方面更為復雜。為了實現多輸出的穩定性和可靠性，需要精心設計和控制電路。
SIMO僅使用一個電感來實現多個輸出，從而縮小了PCB尺寸，這對于緊湊且空間有限的應用而言是一個很大的優勢。	由于共享單個電感，SIMO支持的輸出通道數量通常有限，因此不太適合需要較多電壓電平的應用。
由于元件更少且電路更簡單，SIMO可節省制造成本、降低故障風險并提高器件可靠性。	由于共享電感需要適應不同的輸出電壓要求，因此SIMO設計可能難以敏捷響應快速負載變化。
SIMO設計的效率更高，產生的熱量更少，因此工作溫度較低，器件壽命得以延長，無需復雜的熱管理。	工程師在SIMO設計中，需要仔細權衡輸出通道數量、效率和元件數量。對于特定應用而言，這種權衡可能是一個挑戰。
利用SIMO技術可以打造緊湊且節能的電源解決方案，因此它非常適合可穿戴設備、物聯網設備和智能手機。	要讓現有設備適應SIMO技術，可能涉及大量的重新設計和重新開發工作，這給無縫集成帶來了潛在障礙。

圖4. MAX17270 SIMO轉換器配置為提供三個輸出軌。

圖5.升壓轉換器LT8336的輸出電壓為24 V。

升壓轉換器

升壓轉換器是一種將輸入電壓提升至更高輸出電壓的電源拓撲。升壓轉換器在微控制器和微處理器中不太常見，但在需要較高內核電壓的應用中可找到其身影。在圖5中，升壓轉換器用于提供高壓精密放大器的24 V輸出軌。

選擇升壓轉換器作為電源拓撲時，必須考慮若干因素。表5清楚概述了這種方案的優點和缺點。

表5.升壓轉換器的優點和缺點

優點	缺點
高壓應用的理想之選：升壓轉換器非常適合要求輸出電壓高于輸入電壓的應用。	效率低于降壓轉換器：由于需要提升電壓，升壓轉換器的效率通常低于降壓轉換器。
高效提升輸入電壓：升壓轉換器可以高效地將輸入電壓提高到所需的輸出電壓水平。	不建議用于能效優先的電池供電設備：對于注重能效的電池供電設備而言，升壓轉換器可能并非最佳選擇，因為它會消耗更多電力，可能會更快耗盡電池電量。

降壓-升壓轉換器

降壓-升壓轉換器兼具降壓轉換器和升壓轉換器的功能，可以降低或升高輸入電壓以提供穩定的輸出電壓。這種靈活性使其成為電壓需求多變的應用場景的理想選擇。例如，在圖6中，降壓-升壓轉換器用于調節電池堆的輸出電壓，該電池堆的輸入電壓可能變化不定。當電池堆處于放電模式時，輸入電壓大約為4.5 V至5 V，而當電池堆處于充電模式時，電芯電壓可能會降至1.5 V至2.7 V。因此，這類應用需要降壓-升壓轉換器。

采用降壓-升壓轉換器作為電源架構時，必須考慮若干因素。表6簡要總結了這種方案的優點和缺點。

圖6.降壓-升壓轉換器LTC3114-1配置為提供3.3 V輸出電壓。

圖7.LT8631降壓轉換器性能，由LTpowerCAD® 程序生成。

表6.降壓-升壓轉換器的優點和缺點

優點	缺點
靈活支持不同的輸入和輸出電壓：降壓-升壓轉換器支持更寬的輸入和輸出電壓范圍，適用于電源要求多樣的應用。	相較于更簡單的轉換器，其復雜度適中：降壓-升壓轉換器比降壓或升壓轉換器等較簡單的轉換器拓撲更復雜。這種復雜性導致設計時可能需要考慮更多因素，并謹慎選擇元件。
非常適合由單電源（如電池）供電的設備：電池供電設備的輸入電壓可能存在很大變化；無論電池的電量水平如何，降壓-升壓轉換器都能高效地提供穩定的輸出電壓。
采用單電源供電：降壓-升壓轉換器可采用單電源供電，因此適合僅有一個電源可用的應用。

選擇拓撲時需考慮的因素

能否為微處理器或微控制器正確選擇電源拓撲，取決于多種因素。以下是一些重要考慮因素：

? 電源效率：確定設備的電源要求，選擇高效的拓撲以盡可能減少能耗和發熱。

? 輸入電壓范圍：考慮在設備工作環境中可能存在的輸入電壓范圍。確保所選的拓撲能夠適應此類變化。

? 輸出電壓：確定微處理器或微控制器所需的內核電壓。某些拓撲結構（如降壓-升壓轉換器）在這方面更加靈活。

? 尺寸和重量限制：如果應用有空間或重量限制，應選擇能夠提供緊湊型、輕量級解決方案的拓撲。

? 成本：評估項目的成本約束。對于低功耗應用，線性穩壓器可能是高性價比選擇，但對于更高功率要求，SMPS解決方案可能更具成本效益。

? EMC考量：如果應用需要符合EMC標準，應確保所選拓撲可以通過適當的布局和濾波來滿足這些要求。

? 瞬態響應：考慮電源的瞬態響應。微處理器和微控制器往往會經歷負載突變，具有快速穩定響應的拓撲對于防止電壓下降或過沖至關重要。

? 可靠性：評估應用的可靠性要求。某些拓撲（如線性穩壓器）具有較少的元件，在某些場景中可能更可靠。

? 環境條件：考慮設備的工作環境。對于電池供電的應用，能效至關重要，而對于工業應用，穩健性和抗擾度可能更為關鍵。

實用的實施技巧

選擇合適的電源拓撲后，借助以下一些實用技巧可成功實施：

? 元件選擇：選擇高質量的元件，包括電感、電容和晶體管，以確保系統穩定可靠地運行。

? 布局和布線：仔細規劃PCB上電源電路的布局和布線。盡量減小環路面積，并使用適當的接地技術，以降低噪聲并改善EMC性能。

? 濾波：根據需要添加輸入和輸出濾波器，以抑制EMI并確保輸出電壓干凈穩定。

? 保護：實施過壓、欠壓和過流保護機制，以保護微處理器或微控制器免受損壞。

? 測試和特性表征：在各種工作條件下對電源電路進行全面測試和特性表征，確保其符合所需的性能規格。

? 散熱管理：如果設計涉及功耗，應考慮添加散熱器或散熱管理解決方案以防止過熱。

結語

為微處理器或微控制器選擇正確的電源拓撲，是設計過程中的重要一步。每種拓撲都有各自的優點和缺點，選擇何種拓撲應根據應用的具體要求決定。為了做出明智的選擇以確保設備可靠高效地運行，應考慮電源效率、輸入電壓范圍和輸出電壓穩定性等因素。

但必須注意的是，實施階段同樣重要。正確的元件選擇、謹慎的布局布線和全面的測試，對于充分發揮所選電源拓撲的潛力至關重要。重視這些細節能夠讓微處理器和微控制器獲得高效的供電，從而在各種應用中實現出色的性能。

參考文獻

1 “An Introduction to Switch-Mode Power Supplies ”。Maxim Engineering Journal，第61卷，2007年9月。

2 Cary Delano和Gaurav Mital。“SIMO Switching Regulators:Extending Battery Life for Hearables and Wearables ”。Maxim Integrated（現已并入ADI公司），2017年11月。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Jan Michael Gonzales是ADI菲律賓公司的產品應用資深工程師。Jan擁有菲律賓馬尼拉馬普阿大學的電子工程學士學位和電力電子研究生學位。在電力電子領域，包括AC-DC和DC-DC電源轉換方面，擁有超過13年的工程經驗。Jan于2020年加入ADI公司，目前從事工業應用電源解決方案的精密技術研發工作。

Ralph Clarenz Matociños畢業于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM)，獲電子工程學士學位。他在電力電子領域，包括電池管理系統開發和DC-DC電源轉換方面，擁有一年多的工程經驗和專業知識。

Christian Cruz是ADI菲律賓公司的產品應用資深工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。他在電力電子和電源控制固件設計領域，包括電源管理解決方案開發及AC-DC和DC-DC電源轉換方面，擁有14年的工程經驗。Christian于2020年加入ADI公司，目前從事云計算和系統通信應用的電源管理研發工作。

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