現(xiàn)代電子系統(tǒng)中電源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

21ic電源：綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能，已成為當(dāng)代電子系統(tǒng)發(fā)展的主流和趨勢(shì)。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理速度越來(lái)越快，數(shù)據(jù)流量和存儲(chǔ)空間越來(lái)越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性越來(lái)越高，而電子設(shè)備體積不斷減小，集成度不斷增高，功耗不斷降低。特別是現(xiàn)代手持便攜設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備不僅要求電子系統(tǒng)集成度高、體積小，而且要求整個(gè)系統(tǒng)功耗低，電池在相同體積和功耗下待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)。電子設(shè)備外形變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，終端產(chǎn)品變得更加小巧，集成電路生產(chǎn)商需要設(shè)計(jì)出更加緊湊小巧的封裝。由于系統(tǒng)內(nèi)處理器、存儲(chǔ)器及其他集成電路數(shù)量不斷增加，產(chǎn)生更多熱量，使熱管理在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中變得非常重要。這些因素給集成電路生產(chǎn)商和電子設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。

1電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和種類

1.1電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代電源起始于20世紀(jì)50年代末60年代初的硅整流技術(shù)，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時(shí)代、逆變時(shí)代和變頻時(shí)代，推動(dòng)了電源技術(shù)在許多新興領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末期和90年代初期發(fā)展起來(lái)的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電源技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電源技術(shù)的新興時(shí)代。

現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：

①綠色化、小型化。低功耗、低污染、低電流、高效率、高集成已成為現(xiàn)代電源技術(shù)的主流，電源技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也依賴于電子元器件和集成電路的發(fā)展。

②模塊化、智能化。電源技術(shù)模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開(kāi)關(guān)電源將其功率開(kāi)關(guān)管和各種輸出保護(hù)模塊集成在一起，使開(kāi)關(guān)電源的體積進(jìn)一步縮小。輸出穩(wěn)壓電路模塊化，使電源在實(shí)際應(yīng)用中更加靈活、方便、智能。

③數(shù)字化、多元化。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和成熟，現(xiàn)代電源更多地向數(shù)字化方向發(fā)展。采用數(shù)字技術(shù)可減小電源高頻諧波干擾和非線性失真，同時(shí)便于CPU數(shù)字化控制。

現(xiàn)代電源具備良好的EMC特性，自身產(chǎn)生的高頻諧波功率逐漸減小，降低了對(duì)環(huán)境的“污染”，同時(shí)增強(qiáng)了電源本身抗干擾性能。

1.2電源種類

按輸入一輸出狀態(tài)分類：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。

按工作狀態(tài)分類：線性電源、開(kāi)關(guān)電源、二極管穩(wěn)壓電源。

按同負(fù)載連接穩(wěn)壓方式分類：串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型穩(wěn)壓電源。

按輸出電壓調(diào)整方式分類：固定輸出電源、可調(diào)電源。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，電源分類和界定越來(lái)越模糊。例如，LA76810電視接收機(jī)集成音頻功放AN5265采用9V直流供電，而電視接收機(jī)并不是采用9V直流直接輸出或穩(wěn)壓塊7809輸出，而是采用7812輸出后由9V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓并給集成電路供電。

對(duì)于固定電源與可調(diào)電源，78系列和79系列是電子工程師常用的固定電壓穩(wěn)壓輸出集成電路，317和337是常用可調(diào)電壓輸出集成電路。而現(xiàn)在1085可以是3.3V輸出，也可以是1.7V輸出，只需改變集成電路外圍電阻。

開(kāi)關(guān)電源以其體積小、效率高、環(huán)路PWM控制、輸出短路和過(guò)載保護(hù)等特性已占領(lǐng)了電源市場(chǎng)，線性電源已經(jīng)完成了使命，逐步退出歷史舞臺(tái)。

2低功耗管理策略

隨著IT技術(shù)發(fā)展，電子信息行業(yè)從模擬時(shí)代過(guò)渡到數(shù)字時(shí)代，從分離晶體管時(shí)代過(guò)渡到集成電路時(shí)代，從純硬件電路過(guò)渡到軟硬件相結(jié)合、操作系統(tǒng)可裁減的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展，對(duì)電子系統(tǒng)低能耗要求越來(lái)越高，電子工程師想出各種解決方法和策略。

(1)OPU低功耗電源策略

現(xiàn)代CPU為降低系統(tǒng)功耗，無(wú)論在軟件上還是硬件上都支持電源低功耗管理模塊APM(AdvancedPowerManagement)、高級(jí)配置和電源接口ACPI(AdvancedConfigurationandPowerInteRFace)，對(duì)多個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊和外部元件通過(guò)數(shù)字內(nèi)核和內(nèi)部通信接口進(jìn)行控制，以提供更高的系統(tǒng)性能、可靠性以及更低的功耗;對(duì)APM和ACPI進(jìn)行創(chuàng)新和運(yùn)用，并引入CPU系統(tǒng)內(nèi)核和I/O中，特別是嵌入式系統(tǒng)和FPGA系統(tǒng)。

例如，F(xiàn)PGA系統(tǒng)電源功耗一般取決于以下因素：內(nèi)部資源使用頻率、工作時(shí)鐘頻率、輸出變化頻率、布線密度、I/O電壓等。不同應(yīng)用電源實(shí)際功耗相差非常大，根據(jù)采用FPGA系列不同、內(nèi)核和I/O供電電壓不同，可能是3.3V、2.5V、1.8V和1.5V。

(2)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電源低功耗策略

靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過(guò)程中的電源低功耗管理技術(shù)，其功能和管理模式隨系統(tǒng)初始化確定。動(dòng)態(tài)電源策略是指CPU運(yùn)行過(guò)程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運(yùn)行頻率，當(dāng)系統(tǒng)忙時(shí)提高CPU運(yùn)行速度，系統(tǒng)空閑時(shí)使CPU處于睡眠狀態(tài);降低I/O口的平均電流和電壓，在電流和壓電不變時(shí)降低供電時(shí)間，從而降低系統(tǒng)功耗。

靜態(tài)電源管理策略在初始化過(guò)程中確定，在實(shí)際應(yīng)用中局限性很大;而動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)是在程序運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)控制整個(gè)系統(tǒng)能耗，并采用各種措施降低功耗，應(yīng)用更加廣泛。

3 低功耗集成電路的應(yīng)用

3.1 78和79系列電源穩(wěn)壓集成電路

78和79系列分別是正電壓和負(fù)電壓串聯(lián)穩(wěn)壓集成電路，體積小、集成度高、線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率高，在線性電源時(shí)代占領(lǐng)了很大市場(chǎng)。LM7805為固定+5 V輸出穩(wěn)壓集成電路(采取特殊方法也可使輸出高于5 V)，最大輸出電流為1 A，標(biāo)準(zhǔn)封裝形式有TO-220、TO-263。78和79系列集成電路應(yīng)用相對(duì)固定，電路形式簡(jiǎn)單，只是正負(fù)直流電壓輸出時(shí)應(yīng)注意變壓器最小輸出功率和最小輸出電壓，如圖1所示。

根據(jù)能量守恒原則，在理想狀態(tài)下電源輸入輸出功率相等。在實(shí)際中，考慮銅損和其他元器件的損耗，電源的輸出功率小于輸入功率。78系列和79系列穩(wěn)壓前后直流電壓差為2～3 V。由于為正負(fù)雙電源輸出，穩(wěn)壓前后直流電壓差應(yīng)為5～6 V。

3.2 LDO

LDO(LOW DropOut regulator，低壓差線性穩(wěn)壓技術(shù))：相對(duì)傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓技術(shù)，LDO輸入和輸出之間電壓差更低。傳統(tǒng)78系列輸入輸出電壓差2～3 V才能正常工作，而低壓差使輸入輸出電壓差為1.7 V即可正常工作。例如，5 V輸入、3.3 V輸出，3.3 V輸入、1.7 V輸出。這使輸入輸出間差值范圍更小，集成電路功耗更低。典型應(yīng)用為L(zhǎng)M1085和LM1117。