嵌入式系统电源设计决巧，搞定电压转换!

　高效能的嵌入式系统电源电路设计一般比较复杂，设计人员在设计独特的多重电压级时需满足精准的电压、电流、纹波、噪声滤波、同步化、软启动和电源分隔等要求。本文根据硬件设计大侠在一些嵌入式系统电源电路设计技巧，整理出嵌入式系统电源设计秘籍，9大电压转换诀窍!奉献给EEPW网友们，在嵌入式电源电路的设计中好好把握，也让大家节省设计所需的宝贵时间。

　　1.高瞻远瞩，需细思量：FPGA系统，DSP系统，包括现在风头正劲的ARM为主的32位微处理器嵌入式系统都是多电源低电压供电。此外，对于采用电池供电的便携式嵌入式系统的电源来说，还要有电源管理的考虑。

　　嵌入式系统电源设计的好坏直接决定了系统设计的成败。出现电源设计问题的原因一方面是由于设计者硬件设计经验不足;另一方面是集成稳压芯片品种繁多、手册说明不规范，特别是有些厂商LDO,以及DC-DC转换器的说明使用，让人似懂非懂。

　　2.知己知彼，掌握秘籍：

　　嵌入式系统电源一般有这么几种类型的电源引脚：用于向内核供电，一般为3.3V，1.8V;分别给PLL、振荡器、复位电路，包括ADC部分供电，一般为3.3V，2.5V，2.0V，1.8V，1.5V，1.2V等;分别用于给外设I/O口线、USB收发器以及外部总线接口I/O口线供电，一般为3.3V，2.5V,1.8V等。系统的键盘、显示电路的供电电压需要+5V电源。通过对整个控制系统的控制要求和性能进行分析，一般系统的负载电流大约为3A以上，一般的系统需要使用至少3组以上的电源供电。

　　随着尺寸的减小，晶体管击穿电压变得更低，最终，当击穿电压低于电源电压时，就要求减小电源电压。因此，随着速度的提高和复杂程度的上升，对于高密度器件而言，不可避免的后果就是电源电压将从5V降至3.3V，甚至1.8V，1.2V等。

　　因此，作为系统电源设计人员，面临着连接5V和3.3V，1.8V等电压转换的的任务。这个任务不仅包括逻辑电平转换，同时还包括为3.3V系统供电、转换模拟信号使之跨越1.2V/1.8V/3.3V/5V的障碍。

　　秘籍：看懂下面的图1，神马多嵌入式电源电压转换就是浮云!

　　图1：不同电压电平转换的阀值

　　图1显示了不同电源电压和器件技术的阈值电平。为了成功连接两个器件，必须符合以下要求：

　　①.驱动器的VOH必须高于接收器的VIH。

　　②.驱动器的VOL必须低于接收器的VIL。

　　③.驱动器的输出电压不得超过接收器的I/O电压容差。

　　3.九大诀窍，分而治之：

　　①5V至3.3V转换完全可以用LDO稳压器解决

　　如果电路负载电流不大对效率无要求的设计，可以使用简单稳定的线性稳压器。如果电流需求较高的话，可能就需要开关稳压器解决方案。对成本敏感的应用，也可能需要简单的分立式二极管稳压器。

　　图2：几种电源性能比较

　　标准三端线性稳压器的压差通常是2.0-3.0V。要把5V可靠地转换为3.3V，压差为几百个毫伏的低压降(LowDropout，LDO)稳压器，是此类应用的理想选择。LDO内部由四个主要部分组成：1.导通晶体管2.带隙参考源3.运算放大器4.反馈电阻分压器。

　　诀窍：在选择LDO时，重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数，将会得到最优的设计。如下图采用LM1117-3.3V(AMS1117)供电

　　图3：低压差LDO的5V到3.3V的典型运用

　②从5V电源向3.3V系统供电诀窍—正确使用开关稳压器

　　如图4所示，降压开关稳压器是一种基于电感的转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制MOSFETQ1的导通(ON)时间来实现的。由于MOSFET要么处于低阻状态，要么处于高阻状态(分别为ON和OFF)，因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。

　　图4：开关稳压器件在降压电路的使用

　　诀窍：在选择开关稳压器时，在使用开关稳压芯片时，对于连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。图5是大侠们所使用的输出、输入阈值一个列表。在设计连接时，请务必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。

　　图5：典型输出、输入阈值列表

　　③3V到5V使用MOS管转换方案

　　如果5V输入的VIH比3.3VCMOS器件的VOH要高，则驱动任何这样的5V输入就需要额外的电路。

　　图6：所示为低成本的双元件解决方案

　　诀窍：在选择R1的阻值时，需要考虑两个参数，即：输入的开关速度和R1上的电流消耗。当把输入从0切换到1时，需要计入因R1形成的RC时间常数而导致的输入上升时间、5V输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下

　　式计算：TSW=3xR1x(CIN+CS)。

　　④3V到5V可以尝试用电压比较器。如图7：

　　图7：3V到5V使用电压比较器

　　比较器的基本工作如下：

　　 反相(-)输入电压大于同相(+)输入电压时，比较器输出切换到Vss。

　　 同相(+)输入端电压大于反相(-)输入电压时，比较器输出为高电平。

　　诀窍：为了保持3.3V输出的极性，3.3V输出必须连接到比较器的同相输入端。比较器的反相输入连接到由R1和R2确定的参考电压处。

　　如何计算R1和R2 R1和R2之比取决于输入信号的逻辑电平。对于3.3V输出，反相电压应该置于VOL与VOH之间的中点电压。对于LVCMOS输出，中点电压为：

　　如果R1和R2的逻辑电平关系如下，

　　若R2取值为1K，则R1为1.8K。经过适当连接后的运算放大器可以用作比较器，以

　　将3.3V输入信号转换为5V输出信号。

　　特别注意：要使运算放大器在5V供电下正常工作，输出必须具有轨到轨驱动能力。

　　⑤3.3V到5V转换大胆使用模拟增益模块

　　低电平信号可能不需要外部电路，但在3.3V与5V之间传送信号的系统则会受到电源变化的影响，可以大胆使用模拟增益模块，这种看似难懂的模块用于补偿3.3V转换到5V的模拟电压。例如，在3.3V系统中，ADC转换1V峰值的模拟信号，其分辨率要比5V系统中ADC转换的高，这是因为在3.3VADC中，ADC量程中更多的部分用于转换。但另一方面，3.3V系统中相对较高的信号幅值，与系统较低的共模电压限制可能会发生冲突。

　　图8：3.3V到5V模拟增益模块的使用

　　诀窍：这种方法要将5V模拟信号转换为3.3V模拟信号，最简单的方法是计算好R1:R2比值为1.7:3.3的电阻分压器。　⑥双电源转换器

　　双电源器件是为在不同电源电压下工作的两种总线或器件之间的异步通信设计的。这些器件使用两个电源电压：VCCA与A端连接，VCCB与B端连接。对于双向电平转换器，数据是从A发送到B还是从B发送到A，取决于DIR输入端的逻辑电平。在具有输出使能(OE)控制输入端的器件上，当OE无效时，A总线和B总线被有效隔离。

　　图9:双电源电平转换器转换波形

　　诀窍：这些器件可在各种电压节点之间执行双向电平转换比较常用的是SN74AVCB324245，从1.8V转换为3.3V，同时另一组从3.3V转换为1.8V，它们功耗低、传播延迟短且具有工作电流驱动能力。

　　⑦电平转换应用中使用漏极开路器件

　　有漏极开路输出的器件在输出与GND之间有一个N沟道晶体管。当输出电压由VCCB确定时，VCCB可以高于输入高电平电压(即上升转换)或低于输入高电平电压(即下降转换)。如图10。

　　图10:电平转换应用中使用漏极开路器件

　　图10中使用了1.8V的电源电压，输入端可能出现的最低VIH识别为有效高电平信号。输出上拉电阻的最小值受漏极开路器件的最大电流吸入能力(IOL的最大值)限制，其最大值则受输出信号的最大允许上升时间限制。

　　诀窍：看懂这个公式，神马又是浮云!

　　举例如图9中所示的SN74LVC2G07情况，假定VPU1=5V ±0.5V、VPU2=1.8V ±0.15V且使用容差为5%的电阻，则：

　　原则是容差为5%的标准电阻的最接近(次高)值为1.5kΩ和为430Ω。

　　⑧使用过压输入端的逻辑器件转换的诀窍

　　好多电子硬件工程师都喜欢使用类似SN74LVC244A的器件进行5V到3.3V的转换，这类具有可过压输入端的器件，在用的时候允许输入电压高于器件的电源电压。

　　当将可过压器件用于电平转换时，如果输入信号具有缓慢的边沿变化，则可能影响输出信号的占空比，这个可不是电压转换想要的哦!怎么办，看诀窍!

　　图11：过压输入端逻辑器件

诀窍：使用这些器件

可以方便地对信号实现下降转换。如果输入信号有较慢的上升沿和下降沿，则可能影响输出信号的占空比。对于输入信号的摆幅为0V至5V和5V至0V，但因为在VCC=3.3V下工作，所以它在3.3V阈值电平处切换。因此，在输出占空比非常关键的应用领域(例如，某些时钟应用领域)，可过压器件就可能不是非常理想的转换解决方案。

　　⑨学会使用FET转换器连接3V总线与5V(TTL)

　　在电平转换应用领域可以使用总线转换器。对于不需要工作电流驱动或需要非常短的传播延迟的转换应用领域，FET转换器是其的理想选择。

　　FET转换器的优点：传播延迟短TVC器件(或配置为TVC的CBT)可用于没有方向控制的双向电平转换。

　　比如：TI的CB3T系列器件在VCC=3.3V下工作时可用于从5V到3.3V的下降转换，在VCC=2.5V下工作时可用于从5V或3.3V到2.5V的下降转换。CB3T器件在某些应用领域可用于双向转换，如图9所示。

　　图12：连接3V总线与5V(TTL)总线的CB3T器件

　　诀窍：在图12中，CB3T器件的工作电压为3V。当将信号从5V总线传输到3V总线时，CB3T器件将输出电压钳位到VCC(3V)。当将信号从3V总线传输到5V总线时，5V端的输出信号被钳位到大约2.8V，其对5VTTL器件是有效的VIH电平。

　　总结：嵌入式系统电源电路设计实现的方法有很多种，这里介绍的方案或者技巧不是最佳解决方案的情况下，应考虑其它解决方案。想说的是，电源的很多指标是不可能同时兼顾的，往往需要在效率、噪声性能、纹波、成本等方面进行折中考虑，技巧不是万能的，某些需要的电源工作模式这就需要仔细研读芯片手册，在读懂的基础上灵活应用。