如何為處理器、微控制器和高功率元件選擇電源拓撲

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


摘要

本文是一份詳盡的技術指南，目的在說明如何為處理器、微控制器和高功率訊號鏈選擇合適的電源拓撲，文中並強調了高效可靠的功率轉換在訊號鏈中的重要作用，以及著重說明此類結構緊湊但功能強大的電源元件在不同電子應用中的重要性。無論是在消費性電子應用還是工業自動化環境中，處理器和微控制器等元件都是主要處理單元，需要穩定且精準調節的電源才能實現卓越性能。本指南同時並強調，選擇合適的電源架構對於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，並評估其應用、重要性、優點和缺點。評估的主要目的，在於透過提供實用的見解，以協助工程師在設計過程中做出明智的決策。

核心電壓穩定的重要性

在深入研究電源拓撲的細節之前，必須瞭解維持處理器和微控制器核心電壓穩定的重要性。

  • 性能：穩定的核心電壓可確保元件性能一致且可靠，防止發生意外崩潰、故障或不穩定行為。
  • 電源效率：實現良好調節的核心電壓可充分降低電力損耗，進而提升系統的整體能效。
  • 使用壽命長：電壓波動會導致元件過早磨損，縮短其使用壽命。
  • 電磁相容性(EMC)：穩定的核心電壓有助於減少電磁干擾(EMI)，進而滿足EMC標準要求，這對於醫療設備和航空航太系統等敏感應用非常重要。
  • 抗擾度：適當的電壓調節可以保護元件免受外部電雜訊的影響，增強其在高雜訊環境中的可靠性。

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轉換器都屬於SMPS。每種拓撲都有其優點和缺點。以下將深入探討這些拓撲以方便讀者進行全面瞭解。

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，其都能提供恆定的輸出電壓，多餘的電壓以熱量的形式耗散。然而，由於功耗原因，其在大電流應用中效率低下。圖1顯示了一個線性穩壓器。

Figure 1. The ADP7142, a linear regulator for a 1.8 V output rail.
圖1.線性穩壓器ADP7142可提供1.8 V輸出軌。

 
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
優點 缺點
即使輸入電壓接近所需位準，LDO穩壓器也能保持穩定的輸出電壓，進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，多餘的功率會轉化為熱量。在如此情況下，開關穩壓器可能是更節能的選擇。
憑藉非常低的輸出雜訊，LDO穩壓器在例如精密類比電路和敏感的微控制器等需要提供乾淨、穩定電壓的應用中，表現卓越。 相較於開關穩壓器，LDO穩壓器的電流處理能力較低，因此不適合高功率應用或具有大電流需求的應用。
相較於開關穩壓器等替代方案，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空間並降低複雜性。 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。適當的熱管理對於防止過熱非常重要。
LDO穩壓器能夠快速回應負載變化，因此非常適合微控制器和數位文書處理器等動態應用。 LDO穩壓器要求輸入電壓高於所需輸出電壓，這使其在電池供電裝置中的應用受限，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裝置的效率，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，但相較於開關穩壓器，它們可能不是大電流或高效率應用最經濟實惠的選擇。
LDO穩壓器具有卓越的輸出電壓精度，非常適合需要精準電壓調節能力的應用。 如果輸入電壓明顯高於所需輸出電壓，LDO穩壓器可能需要額外的元件（如散熱片或複雜的保護電路）才能有效運行。

開關模式電源(SMPS)

SMPS由於其高效率而成為微處理器和微控制器常用的拓撲結構。SMPS透過快速開關功率元件（通常是電晶體），將輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。其能實現精準的電壓調節，充分降低功耗。圖2展示了降壓、升壓和降壓-升壓拓撲。

Figure 2. Buck, boost, and buck-boost compose the fundamental SMPS topologies.
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，由於其作為熱量所浪費的功率比線性穩壓器更少，因而是節能裝置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複雜，需要額外的元件和先進的控制電路。這種複雜性會增加開發成本，並帶來可靠性挑戰。
SMPS能夠處理寬廣輸入電壓範圍，非常適合需要處理波動或不穩定電源的應用。 SMPS會產生EMI而可能影響附近的元件。因此，需要採取額外的濾波和遮罩措施來緩解潛在的問題。
SMPS結構精巧、重量輕，在尺寸和重量方面均優於線性電源，這使其成為存在嚴格約束的應用的優選方案。 某些SMPS設計的輸出電壓漣波可能比線性穩壓器高，這對要求超低雜訊水準的應用構成了挑戰。
即使輸入變化不定，SMPS也能提供穩定的輸出電壓，這對於實現電子裝置的可靠供電具有重要意義。 儘管SMPS效率很高，但由於需要額外的元件和控制電路，因此製造和設計成本較高。
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並非萬能解決方案，尤其不適合擔心電雜訊或干擾，或需要乾淨直流輸出的應用場景。
多功能性是SMPS的一項重要優勢，其可根據各種輸出電壓和電流要求進行客製化，進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。對於高功率應用，可能需要較大、較複雜的SMPS系統。
由於產生的熱量極少，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。其廣泛用於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元件（通常為電晶體），將能量儲存在電感和電容中，然後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，其能高效地將高壓軌轉換為3.3 V。

Figure 3. The LT8631 micropower buck converter solution.
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。相較於線性穩壓器，其以熱量形式浪費的能量更少。 降壓轉換器需要複雜的控制電路才能正常工作，這會增加設計複雜性，並可能出現可靠性問題。
T由於效率高，降壓轉換器產生的熱量較少，這對於注重熱管理的應用非常重要。 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遮罩措施。
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。 相較於線性穩壓器，某些降壓轉換器設計可能具有更高的輸出電壓漣波。對於要求超低雜訊水準的應用來說，這可能是一個問題。
降壓轉換器支援非常寬廣的輸入電壓範圍，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於輸入電壓的應用。
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。 Some buck converter designs have 
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複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、控制迴路設計等因素。
降壓轉換器常用於能效非常重要的電池供電裝置。其能有效降低功率損耗，進而有助於延長電池續航時間。

SIMO轉換器

SIMO是一種創新的電源管理技術，可透過單一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，佔用電路板空間較大，且能量損耗也較高。SIMO簡化了設計，讓多個輸出通道共用單一電感，進而提升效率並精減整體尺寸。圖4展示了用於為多個輸出軌供電的SIMO設計。

Figure 4. The MAX17270 SIMO converter configured to have three output rails.
圖4. MAX17270 SIMO轉換器配置為提供三個輸出軌。

 
採用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技術透過使多個輸出共用單一電感來提高電源效率，減少能量損失——這對於電池供電裝置而言是一大福音。 相較於傳統電源解決方案，SIMO實現方案在控制和調節方面更為複雜。為了實現多輸出的穩定性和可靠性，精心設計和控制電路有其必要。
SIMO僅使用一個電感來實現多個輸出，進而縮小了PCB尺寸，這對於纖小且空間有限的應用而言是一大優勢。 由於共用單一電感，SIMO支援的輸出通道數量通常有限，因此不太適合需要較多電壓位準的應用。
由於元件更少且電路更簡單，SIMO可節省製造成本、降低故障風險並提高元件可靠性。 由於共用電感需要適應不同的輸出電壓要求，因此SIMO設計可能難以敏捷回應快速負載變化。
SIMO設計的效率更高，產生的熱量更少，因此工作溫度較低，元件壽命得以延長，無需複雜的熱管理。 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。對於特定應用而言，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，因此其非常適合穿戴式裝置、物聯網裝置和智慧型手機。 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，這為無縫整合帶來了潛在障礙。

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，但存在於需要較高核心電壓的應用中。在圖5中，升壓轉換器用於提供高壓精密放大器的24 V輸出軌。

Figure 5. The LT8336, boost converter with an output voltage of 24 V.
圖5.升壓轉換器 LT8336 的輸出電壓為24 V。

 
選擇升壓轉換器作為電源拓撲時，必須考慮若干因素。表5清楚概述了此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於輸入電壓的應用。 效率低於降壓轉換器：由於需要提升電壓，升壓轉換器的效率通常低於降壓轉換器。
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準。 不建議用於能效優先的電池供電裝置：對於注重能效的電池供電裝置而言，升壓轉換器可能並非最佳選擇，因為其會消耗更多電力，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。此種彈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-升壓轉換器用於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。當電池堆處於放電模式時，輸入電壓大約為4.5 V至5 V，而當電池堆處於充電模式時，電芯電壓可能會降至1.5 V至2.7 V。因此，此類應用需要降壓-升壓轉換器。

Figure 6. The LTC3114-1, buck-boost converter configured to have an output voltage of 3.3 V.
圖6.降壓-升壓轉換器 LTC3114-1配置為提供3.3 V輸出電壓。
Figure 7. The LT8631 buck converter performance generated by the LTpowerCAD® program.
圖7.LT8631降壓轉換器性能，由 LTpowerCAD®程式生成。

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

表6.降壓-升壓轉換器的優點和缺點
優點 缺點
彈性支援不同的輸入和輸出電壓：降壓-升壓轉換器支援更寬廣的輸入和輸出電壓範圍，適用於電源要求多樣的應用。 相較於更簡單的轉換器，其複雜度適中：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複雜。此種複雜性導致設計時可能需要考慮更多因素，並謹慎選擇元件。
非常適合由單電源（如電池）供電的裝置：電池供電裝置的輸入電壓可能存在很大變化；無論電池的電量水準如何，降壓-升壓轉換器都能高效地提供穩定的輸出電壓。  
採用單電源供電：降壓-升壓轉換器可採用單電源供電，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，取決於多種因素。以下是一些重要考慮因素：

  • 電源效率：確定裝置的電源要求，選擇高效的拓撲以盡可能減少能耗和發熱。
  • 輸入電壓範圍：考慮在裝置工作環境中可能存在的輸入電壓範圍。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核心電壓。某些拓撲結構（如降壓-升壓轉換器）在此方面更加彈性。
  • 尺寸和重量限制：如果應用有空間或重量限制，應選擇能夠提供精巧型、羽量級解決方案的拓撲。
  • 成本：評估專案的成本約束。對於低功耗應用，線性穩壓器可能是高性價比選擇，但對於更高功率要求，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透過適當的佈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，具有快速穩定回應的拓撲對於防止電壓下降或過沖非常重要。
  • 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：考慮裝置的工作環境。對於電池供電的應用而言，能效非常重要，而對於工業應用，穩健性和抗擾度可能更為關鍵。

實用的建置技巧

選擇合適的電源拓撲後，借助以下一些實用技巧可成功建置：

  • 元件選擇：選擇高品質的元件，包括電感、電容和電晶體，以確保系統穩定可靠地運行。
  • 佈局和佈線：仔細規劃PCB上電源電路的佈局和佈線。儘量減小迴路面積，並使用適當的接地技術，以降低雜訊並改善EMC性能。
  • 濾波：根據需要增加輸入和輸出濾波器，以抑制EMI並確保輸出電壓乾淨穩定。
  • 保護：進行過壓、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。
  • 測試和特性表徵：在各種工作條件下對電源電路進行全面測試和特性表徵，確保其符合所需的性能規格。
  • 散熱管理：如果設計涉及功耗，應考慮增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裝置可靠高效地運行，應考慮電源效率、輸入電壓範圍和輸出電壓穩定性等因素。

但必須注意的是，建置階段同樣重要。正確的元件選擇、謹慎的佈局佈線和全面的測試，對於充分發揮所選電源拓撲的潛力非常重要。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，進而在各種應用中實現卓越的性能。

參考文獻

“An Introduction to Switch-Mode Power Supplies.”。 ADI，第61卷，2007年9月。

Cary Delano和Gaurav Mital。“SIMO Switching Regulators: Extending Battery Life for Hearables and Wearables”。 ADI，2017年11月。