作者：Rich Nowakowski，德州仪器 (TI)
便携式和电池供电型应用的不断发展，需要不断增加电池使用时间并缩小产品体积。模拟电路和超低功耗微控制器 (MCU) 通常都安装在同一块电路板上，模拟电路和微控制器都有其各自的特殊电源要求。本文将介绍低功耗应用中为微控制器或数据采集电路选择电源管理解决方案时一些可用的选项和设计折中方法。我们对诸如噪声、效率、瞬态和稳压精度等电源设计问题进行了逐一说明，旨在帮助设计人员为电路的每个模块选择最佳的供电解决方案。
低功耗应用中低压降稳压器与开关稳压器的对比
低功耗应用条件下，我们想到的第一款电源管理器件就是线性稳压器，其对于那些有低输入到输出电压差的应用来说最为有效。具有极低压降的线性稳压器被称作低压降稳压器 (LDO)。LDO 因其快速瞬态响应时间、高稳压精度和极低噪声性能而众所周知。根据所使用通道组件的不同类别，在某些方面，一些 LDO 具有比其他 LDO 更好的性能。LDO的易于设计性、较少的外部组件数目以及每瓦特成本等因素，通常让 其 成为设计人员在进行低功耗应用设计时的首选。
另外一方面，当输入到输出电压差别较大时，开关稳压器拥有更佳的效率和功率密度。对于那些承受更高环境温度或者高输入电压且有空间限制的应用而言，要求使用电感存储能量的开关稳压器是更好的选择。然而，开关稳压器设计更加困难，同时对某些应用来说会存在固有输出纹波和噪声问题。
模拟和数字电路有不同的电源要求。若想达到最佳性能，考虑帮助选择最合适电源解决方案的情况下，需对线性稳压器或开关转换器额定值的一些重要规范进行研究。
低功耗数字微控制器
MCU 不断降低消耗电流、增加功能并降低板空间要求。设计低功耗应用时，一定不要选择一种消耗电流比 MCU 本身还多的电源电路，这样便违背了我们的本意。150mA 的一些业界一流的低功耗线性稳压器，在其额定负载条件下一般都拥有 4uA 或更低的工作静态电流。更高电流的 LDO 具有更高的静态电流，因此正确的尺寸极为重要。为数字处理器供电时，噪声并不是一个关键的设计考虑因素，因此由于更高的可用输入电压线性稳压器功耗不理想时，开关稳压器便为一种有效的选项。额定电流为 300mA 的降压开关稳压器（例如：TPS62240 等）具有 15uA 的典型工作静态电流，但在满负载和轻负载条件下效率会更高，这样做的代价是在集成功率 MOSFET 实施开关操作时使用一个电感来存储能量。
为 MCU 供电而设计的一些线性稳压器和开关转换器，一般都有一个严格的参考电压精度，其在工艺尺寸进步的推动下不断发展。1% 到 2% 的参考电压容限可满足大多数 3% 总输出电压精度要求。较早的 DC/DC 转换器可能无法达到要求的电压容限，因此最好是查看一下 DC/DC 转换器的规范表。一些处理器在 AC 瞬态状态时要求电压容限。专为处理器供电而设计的一些 LDO 和开关稳压器具有快速的瞬态响应以及较小的电压过冲和欠冲，同时还能保持精确的输出电压。图 1 显示了 TPS62240 的输出电压精度与输出电流的对比关系，特别是器件从脉宽调制 (PWM) 变为脉频调制 (PFM) 时。
图1TPS62240 输出电压精度与输出电流的对比关系
最新深亚微米工艺技术制造的处理器的待机漏电功耗1非常高。动态电压缩放2或 SmartReflexTM等技术在不需要高处理速度时允许 MCU 工作在更低的电压和频率下，从而降低其功耗。电源管理器件和 MCU 之间的简单通信有助于 MCU 电压要求动态调节以降低其漏电功耗。有几款电源器件可支持 SmartReflex 和动态电压缩放技术，例如：高度集成电源管理器件 TPS65950 和 TPS780 系列线性稳压器。
模拟电路的电源
高精度仪表应用中的一些模拟电路（例如：数模转换器 (DAC)、模数转换器 (ADC)和运算放大器 (op amp) 等）对噪声和纹波十分敏感。噪声具有频谱噪声密度 (nV/√Hz) 和输出噪声电压 (uVrms) 特性。电源纹波抑制 (PSRR) 指的是来自输入3纹波的输出纹波的多少。大多数设计人员都选择使用一个线性稳压器来提供清洁的电压轨，从而最大化系统性能。我们对线性稳压器进行了优化，以为噪声敏感型模拟集成电路供电，稳压器的电源抑制比 (PSRR) 和噪声性能规范可在其产品说明书的标题页找到。请注意，线性稳压器的主噪声源一般为带隙。具有噪声抑制引脚的线性稳压器，允许一个小型外部电容易化带隙输出端的低通滤波器工作，其将噪声阻挡在增益级。
查找纹波源是一项费时的工作，但其一般来自 50/60Hz 电源（一个其他电路模块的共用电源或者一个邻近的开关稳压器4）。高 PSRR 的线性稳压器有助于缓解电压纹波问题。众所周知，老式线性稳压器的高频 PSRR 性能较差。幸运的是，市售的一些新型线性稳压器在 5MHz 时拥有超过 40dB 的 PSRR。
输入电压大于输出电压时，即使在一些低功耗应用中，使用一个线性稳压器为模拟电路供电不一定是最佳的选择。例如，输入电压为 24V 且需要一个清洁的 5V 电压轨来提供 100mA 电流时，开关稳压器可以将电压从 24V 降至 5.5V，而一个高 PSRR、低噪声和低压降电压的 LDO 稳压器可以接收 5.5V 输入电压然后输出 5V 电压，其功耗仅为 50mW。选择一个更低压降电压规范的 LDO 可以进一步降低功耗并提高效率。为了提供一个低噪声负电压轨，我们可以在反相降压/升压拓扑中配置一个开关稳压器（例如：TPS54060），以提供一个负输出电压5。开关稳压器固有的纹波电压通过 TPS7A3001 负电压线性稳压器及其双极通道 (bipolar pass) 组件滤波。
结论
低功耗模拟和数字集成电路带来了各种电源管理设计挑战。处理器的发展要求更加严格的电源管理解决方案。较好的做法是选择一款与处理器差不多同时上市的电源管理器件，而非重新使用前一代老式电源解决方案。模拟电路正不断被推升至更高的速度，而选择一款电源管理器件来降低或者消除噪声和纹波的影响可以节省宝贵的设计时间。
参考文献
1) 《利用动态电压缩放降低功耗》，作者：Alex Friebe。
2) 《SmartReflex™ 功耗与性能管理技术：降低功耗，优化性能》，作者：Brian Carlson 和 Bill Giolma。
3) 《了解线性稳压器的噪声》，作者：John C. Teel。
4) 《LDO PSRR 简单测量方法》，作者：Sanjay Pithadia 和 Scot Lester。
5) 《通过降压稳压器构建反相电源》，作者：David Daniels。
作者简介
Rich Nowakowski 现任 TI 电源管理产品部 DC/DC 转换器产品市场营销经理。Rich 毕业于北达科他州立大学 (North Dakota State University, Fargo, ND)，获电子工程理学士学位，后又获得 MBA。
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