【大学课件】单片机原理与接口技术课件 单片机系统电源设计.ppt
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1、1,12:13,单片机原理与接口技术,第10章 单片机系统 电源设计,http:/ (2)掌握线性稳压电路设计方法和常用线性电源器件的使用方法。 (3)了解DC/DC电源设计和使用方法。 (4)了解常用基准电源电路的使用方法。 (5)了解常用电源模块的使用方法。,本章教学要求,3,12:13,本 章 目 录,12.1 单片机系统电源设计的考虑因素 12.2 线性稳压供电电源 12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路 12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路 12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路 12.3 DC/DC供电电源 12.3.1 降压型DC/DC电源电路,12.3.
2、2 升压型DC/DC电源电路 12.3.3 DC/DC模块电源的选择与应用 12.4 AC/DC供电技术 12.4.1 AC/DC电源技术 12.4.2 AC/DC模块电源 12.5 基准电源的产生方法 12.5.1 稳压管基准电压源电路 12.5.2 集成块基准电压源电路 习题与思考题,4,12:13,12.1 单片机系统电源设计的考虑因素,单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作, 电源的精度和可靠性等各项指标, 直接影响系统的整体性能。 单片机系统的数字和模拟两部分电路对电源的要求有所不同。 数字部分:以脉冲方式工作,电源功率的脉冲性较为突出,如LED显示器的动态扫描会引起
3、电源脉动。因此,为数字部分供电要考虑有足够的余量,大系统按实际功率消耗的1.52倍设计,小系统按23倍设计。此外,有时还需要多路电源或DC/DC供电。,- A/D转换器分类,5,12:13,12.1 单片机系统电源设计的考虑因素,模拟部分:对电源的要求不同于数字部分,模拟放大电路和A/D电路对电源电压的精度、稳定性和纹波系数要求很高,如果供电电压的纹波较大,回路中存在脉冲干扰,将直接影响放大后信号的质量和A/D转换精度。一些模拟电路的偏置电压和基准电压也需要有很高的精度和稳定性。 有些场合需要隔离电源,将信号传输通路完全隔离,以提高系统的安全性和抗干扰性能。例如,光电耦合器输入/输出电路的供电
4、,模拟信号隔离放大器输入/输出电路的电源。 如果模拟和数字部分使用同一个电源,会使数字部分产生的高频有害噪声耦合到模拟部分。因此,在模拟电路和数字电路混合的单片机系统中,需要注意考虑两种电路独立供电。,6,12:13,12.2 线性稳压供电电源,线性稳压电源, 是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。 线性稳压电源是较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成,有些还包含保护电路、启动电路等部分。,图示为一个比较简单的线性稳压电源原理图(示意图,省略了滤波电容等元件),取样电阻通过取样输出电压,并与参考电压比较,比较结果由误差放大电路放
5、大后,控制调整管的导通程度,使输出电压保持稳定。 优点是:反应速度快, 输出纹波较小,工作产生的噪声低;缺点是:输出电压比输入电压低,效率较低,负载大时发热量大,间接地给系统增加热噪声。 常用的线性集成稳压器大致可以分为3类:三端固定输出集成稳压器,三端可调集成稳压器,低压差线性集成稳压器。,7,12:13,12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路,三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器,它将调整、输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件,只有输入、输出和公共接地3个引出端,通过外接少量元器件即可实现稳压,使用非常方便,故称为三端集成稳压器。 典型产品有78xx正电压输出系列和79
6、xx负电压输出系列。 其封装及外形如图所示。正负输出型的引脚排列不同。 78xx系列为:1脚输入, 2脚接地, 3脚输出; 79xx系列为:1脚接地, 2脚输入, 3脚输出。,8,12:13,12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路,输出电压有5, 6, 9, 12, 15, 18 V和24 V等多种, 如7805, 7905, 7815和7915等。 78xx(79xx)系列的输出电流为1 A; 78Mxx(79Mxx)系列输出电流为0.5 A; 78Lxx(79Lxx)系列输出电流为0.1 A。 78xx(79xx)系列属于线性稳压器, 要求输入电压比输出电压高出23V,否则就不能正常
7、工作。 78xx(79xx)系列稳压器的优点是使用方便,不需作任何调整,外围电路简单,工作安全可靠,适合制作通用型、标称输出的稳压电源。其缺点是输出电压不能调整,不能直接输出非标称值电压,与一些精密稳压电源相比,其电压稳定度还不够高。,9,12:13,12.2.1 三端固定输出集成稳压器电源电路,图示为采用三端稳压器设计的单片机系统电源电路,可以提供+5 V的数字电路电源和15 V的模拟电路电源,注意二者的“地”电位不同,在PCB电路设计中应遵循单点接地的原则。,10,12:13,12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路,78xx(79xx)系列是固定电压输出型,还有一类三端集成稳压器是输
8、出可调型,如LM317和LM337。 LM317是正电压输出,其输出电压范围为1.2 37 V。 LM337是负电压输出,其输出电压范围为-1.2 -37 V。 可调型三端集成稳压器输出电流能力根据系列不同可以从0.15 A。例如: LM317L为0.1 A LM317H为0.5 A LM317为1.5 A LM318为5 A (电压为1.232 V) 。 负电压系列与此类似。,11,12:13,12.2.2 三端可调输出集成稳压器电源电路,可调型三端集成稳压器正负电压输出型的引脚排列不同。 LM317(正输出型)为:1脚调整,2脚输出,3脚输入; LM337(负输出型)为:1脚调整,2脚输入
9、,3脚输出。 可调型三端集成稳压器的外形(TO-220)和应用电路如图所示。图中的滤波电容最好采用钽电容,如果采用电解电容可选101000 F。 该电路的输出电压与 输入电压的关系为:,12,12:13,12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路,三端集成稳压器输入/输出电压差在23V, 有的要达到4V以上。 有时系统中的输入电压、转换效率、散热条件等难以满足压差要求, 如电池供电系统利用3.6V产生3V的电压, 压差只有0.6V, 且转换效率也要求很高, 显然前述三端稳压器难以满足。 低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator, LDO)在逐步取代传统的线性稳压器。
10、优点是输出噪声低, 纹波系数小, 电源电压影响小, 负载变化时输出电压相应变化速度快; 外部元件少(一般是输入/输出端各有12个电容器); 尺寸小; 在输出电流较小时, LDO的成本只有开关电源成本的几分之一。 缺点是效率相对较低, 会随着输出电压的降低而降低。例如, 某款LDO稳压器, 在输入电压为3.6V, 输出电压为3V时效率为83%, 而当输出电压差低到1.6V时, 效率降低为43%。此外, LDO稳压器只能用于降压场合。,13,12:13,12.2.3 低压差线性稳压器(LDO)电源电路,LDO线性稳压器的种类较多, 如LP3871系列芯片是超低压差线性稳压器, 输入范围为2.57V
11、, 输出电压规格有: 5.0, 3.3, 2.5和1.8V。在0.8A满载输出时压差为0.24V, 在输出电流为80mA时压差只有24mV。具有关断和故障输出功能, 关断后静态电流只有10nA, 便于系统内部电源管理。其封装和应用电路如图所示。,(/SD)是关断引脚, 不使用时需要接到VIN。 (/ERR)引脚在输出电压低于正常值10%时输出低电平。,14,12:13,12.3 DC/DC供电电源,DC/DC模块是直流-直流转换器, 其功能是:将直流电源电压转换为与之相同或不同的若干个直流电源电压, 以满足单片机系统对供电电源降压、升压及隔离的要求。 其工作原理是通过振荡电路和开关管把输入的直
12、流电压转变为交流电压, 通过变压器变压之后, 再经过整流、滤波、稳压转换为直流电压输出。 在一些小功率电路中可不采用高频变压器, 而直接对功率开关器件输出的脉冲电压信号进行滤波。 从输入/输出的关系而言, DC/DC转换器有降压、升压及隔离3种形式的电路。,15,12:13,12.3.1 降压型DC/DC电源电路,在单片机系统中, 有时需要输入电压为直流1428V, 输出电压为直流3.3V, 输出电流为2A的电源。如果采用线性稳压器来实现, 效率太低, 显然是不合适的。因此可利用降压型DC/DC(集成)电源芯片实现。 LM22676系列稳压器是单片集成DC/DC变换电路芯片, 可用于实现降压开
13、关稳压电源, 其优良的线性与负载调节特性如下: 输入电压范围为4.542V, 可以驱动电流高达3A的负载, 效率可达90%。 开关时钟频率为500kHz, 由内置振荡器提供。 芯片内部集成了自举二极管, 具有软启动功能, 使稳压器可以逐步到达初始稳态工作点, 从而降低浪涌电压和电流。 内置热关断和限流功能, 超过150的情况下保护芯片。 有使能控制输入端, 可使稳压器休眠至静态电流为25A的待机状态。,16,12:13,12.3.1 降压型DC/DC电源电路,LM22676的内部结构如图所示。,17,12:13,12.3.1 降压型DC/DC电源电路,LM22676采用PSOP-8或TO-26
14、3封装,如图所示。,LM22676各引脚功能为: BOOT:提供高压侧NFET的触发电压。 NC:未连接。 FB:将输出反馈到内部电压误差放大器。 EN:使能控制,低电平时,稳压器关闭。 GND:接地。 VIN:输入电源电压。 SW:开关输出引脚。,18,12:13,12.3.1 降压型DC/DC电源电路,采用LM22676-ADJ设计的降压变换的电源原理图如图所示。,19,12:13,12.3.2 升压型DC/DC电源电路,一些便携的单片机系统采用电池供电, 在系统内部需要高电压时, 可以采用DC/DC变换器进行升压, 满足系统的要求。 例如, 有一单片机系统输入电压范围为直流33.6V,
15、内部某单元电路需要12V电压, 电流最大为0.2A。可采用升压型DC/DC电源芯片LM2735X来实现。 LM2735是单片集成升压型DC/DC变换器, 输入电压范围为2.7 5.5V, 输出电压范围为324V, 低端开关电流能力最大为2.1A。外部元件少, 效率可达90%以上。开关时钟频率有两种, 分别为520 kHz (LM2735X)和1.6MHz(LM2735Y), 由内置振荡器提供。采用电流模式控制, 内部具有补偿功能、热关断功能和软启动功能, 关断模式下静态电流消耗为80nA。它广泛应用于便携设备和USB供电设备。,20,12:13,12.3.2 升压型DC/DC电源电路,LM27
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