电源管理

线性和开关MCU电源有什么区别?

2014年4月4日

在设计包含微控制器单元(MCU)的系统时，低阻(LDO)线性稳压器通常被用作低成本、高精度和易于实现的电源解决方案。然而，开关电源(SMPS)更容易满足其他可能的系统设计目标，如效率和电池运行时间。

克里斯·格拉泽

当设计一个包含微控制器单元(MCU)的系统时，通常很少的时间和思想被给予MCU的电源。终端客户认为其他系统部件，如MCU选择、内存、外设、模拟功能和传感器更重要。因此，它们通常得到最多的关注和设计努力。

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在这些情况下，低阻(LDO)线性稳压器通常被用作低成本、高精度和易于实现的电源解决方案。然而，开关电源(SMPS)更容易满足其他可能的系统设计目标，如效率和电池运行时间。

ldo和smps的区别

LDO可能是最简单的稳压电源。它不储存能量，也不重复地开关晶体管。它仅仅降低通过晶体管的多余输入电压，在有源区操作，以创造一个低噪声和调节的输出电压。

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由于没有开关或能量存储，LDO产生的噪声非常小，不需要电感，并提供高精度的输出电压。不过，简单地将过路晶体管中的过剩电压散掉是非常低效的，而且还会产生热量。当使用超低功耗mcu时，ldo可以提供一个可接受的电源解决方案。但是，当用于为高性能的mcu提供功率时，通过晶体管的功率耗散明显更高，造成过热，在降低效率的同时也带来了可靠性问题。

或者，SMPS在电容器或电感器中存储能量。所需的开关动作给输出电压增加了噪声和纹波，从而降低了输出电压的精度。开关晶体管要么完全开着，要么完全关着，这比它们的有源区工作效率更高。因此，smps具有相对较高的效率——通常超过80%。

虽然LDO通常只需要两个电容，但大多数现代smps的相同的功率水平也一样简单，只需要一个额外的电感。考虑到SMPS设计所涉及的复杂性，涉及SMPS的系统的总成本通常高于使用LDO的系统。这是由较低的功率耗散，从而提高了运行效率。

系统的比较

永不关闭的管家式MCU(也称为系统管理MCU)是电池驱动的计算设备(如笔记本和平板电脑)的关键系统组件。该MCU直接从交流适配器或设备的锂电池组中提取，其所消耗的功率和电源将显著影响设备的运行和待机时间。

当从更高的电压适配器供电或当微控制器运行在更高的系统时钟频率提供更高的性能，增加的功耗可能会产生显著的热量。这可能会让用户感到不舒服，甚至会因为过热MCU的电源或电路板上的邻近元件而对系统的可靠性产生负面影响。

为了比较特定笔记本电脑的LDO和SMPS解决方案，假设一个20v适配器和一个三芯(名义值10.8 V)电池组为MCU供电，最高150ma时需要3.3 V。TPS70933是一个简单的LDO，满足这些要求，而TPS62177是一个相应简单的SMPS(图1)．¹

1.与TPS70933 LDO相比，TPS62177 SMPS包括一个睡眠模式，通过减少其静态电流(IQ)，在非常低的输出功率下提高其效率。

在非常轻的负载电流(< 10µA)对应的关机或非常深的待机模式下，LDO比SMPS更有效率。但随着MCU变得更加活跃，绘制更多的电流，SMPS的效率更高。这几乎完全是由于静止电流(I_问)由每个装置绘制。

在极轻的负载下，I_问确定输出的输入电流，从而确定效率。²随着负载电流的增大，I_问重要性迅速下降。LDO的我_问是1.35µA，而SMPS包括一个mcu激活的睡眠模式，这减少了它的I_问4.8µ。因为我_问s非常低，几乎相同，在非常低的负载电流下，SMPS变得比LDO更有效的平衡点。

图1也显示了一个固有的LDO限制:最大效率。由于LDO的线性拓扑结构，理想LDO的效率最大为V_出/ V_在．这相当于10.8 v输入时的效率30.6%，20 v输入时的效率16.5%。这是LDO的最大可能效率，只有在更高的负载电流下才能达到。

相比之下，理论上，SMPS的最大可能效率是100%，不依赖于V_在或V_出．即使在这个例子的150ma全负载电流下，SMPS的效率仍然在增加，而LDO已经达到了它的最大值。在满功率下，这种相当低的效率会消耗更多的电池电流(图2)．

2.随着负载电流的增加，电池电流也随之增加。与100%的高效电源相比，SMPS对运行时间的影响很小。

如图2所示，当MCU在低功耗模式(如睡眠模式或深睡眠模式)下绘制超过10µA的电池电流时，SMPS开始绘制的电池电流明显小于LDO。因此，使用smps的笔记本可以运行更长时间——几乎接近理想的电源。虽然这是一个非常简单的复杂笔记本系统的分析，但它确实说明了一个关键的笔记本用户关注的问题-电池寿命，这直接影响到电源拓扑的选择。

结论

LDOs和smps都是为笔记本电脑中的高性能mcu供电的有效拓扑。虽然LDO提供无纹波的输出电压，但这通常不是数字微控制器所需要的。同样，他们通常也不是最有效率的。在一些低成本系统中，LDO的成本和尺寸优势大于其较低的效率和过大的功耗。现代smps具有先进的节电模式，即使在非常低的负载电流下，其效率也与LDO相当。这些优点应该促使设计工程师重新考虑现代的、易于使用的smps的MCU系统。

参考文献

1.下载这些TI数据表:www.ti.com/tps70933-ca，www.ti.com/tps62177-ca，www.ti.com/ucc28722-ca

2.”我_问它是什么，它不是什么，以及如何使用它， Chris Glaser，模拟应用期刊(SLYT412)，德州仪器，2013年第2季度

3.”电源Tiva™C系列微控制器使用高效DCS-Control™拓扑，“Ashish Ahuja和Chris Glaser，申请说明（SPMA066)，德州仪器，2014年2月

克里斯托弗·詹姆斯·格拉泽是TI公司低功耗DC/DC组的应用工程师。在这个职位上，他支持客户，设计评估模块(EVMs)，编写应用笔记，培训现场工程师和客户，并生成技术资料，使TI部件更容易使用。他在德州农工大学获得学士学位。可以联系到他ti_cglaser@list.ti.com．