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技術(shù)專題
單片機(jī)開發(fā)供電的低成本方法
工程并不是要找到針對(duì)每個(gè)問題的最高性能，最復(fù)雜，最防彈的解決方案。期望工程師在預(yù)算和進(jìn)度限制與技術(shù)規(guī)范之間取得平衡，以便針對(duì)所有相關(guān)設(shè)計(jì)因素優(yōu)化最終系統(tǒng)。
此外，過度設(shè)計(jì)有時(shí)是懶惰的癥狀。與設(shè)計(jì)定制電路相比，我可以更容易地找到現(xiàn)成的IC，當(dāng)我可以吹捧IC的“優(yōu)越”性能規(guī)格并向自己保證我正在使系統(tǒng)更堅(jiān)固時(shí)，這種方法變得更加容易。但是，如果IC成本的兩倍定制電路是足夠的，即滿足系統(tǒng)要求？這是好的工程嗎？
二極管穩(wěn)壓器
我在這里想象的用例是已經(jīng)有5 V電源軌的PCB上的3.3 V微控制器。產(chǎn)品的主要電源（例如，來自墻壁變壓器的電源）可能是5 V，或者開關(guān)會(huì)為板上的其他組件產(chǎn)生5V。無論如何，您只有5 V，而對(duì)于小型，低功耗MCU則需要3.3 V，該MCU始終執(zhí)行基本的監(jiān)視，控制和通信任務(wù)。
想象一下，我們正在消費(fèi)電子領(lǐng)域中工作-該產(chǎn)品不需要承受極端的溫度變化，沒有人的壽命取決于它，而將成本降至最低是中心設(shè)計(jì)目標(biāo)。
像我這樣的過度設(shè)計(jì)人員本能地尋求線性穩(wěn)壓器IC，其電流容量可能比我所需的電流大五倍，并且收集了與我的應(yīng)用無關(guān)的驚人規(guī)格-在整個(gè)溫度范圍，輸入電壓范圍內(nèi)，V OUT精度為2％高達(dá)20 V，0.001％/ V的線路調(diào)節(jié)率等
您可能會(huì)認(rèn)為我正朝著基于齊納二極管的穩(wěn)壓器前進(jìn)，但我想到的甚至比這更基本：它只是三個(gè)普通二極管的串聯(lián)連接。
確保閱讀下面的“處理低電流MCU狀態(tài)”部分！您可能需要包括一個(gè)電阻，以確保該電路對(duì)您的微控制器是安全的。
我們?cè)谶@里所做的就是利用二極管壓降將5 V電源軌帶入微控制器可接受的電源電壓范圍內(nèi)。這真的有效嗎？好吧，首先讓我們看一下基本電壓和電流注意事項(xiàng)。
電源電壓和二極管壓降
我最熟悉Silicon Labs制造的處理器，因此我將使用其規(guī)格作為代表示例。陣容中較舊的3.3 V器件的V DD范圍為2.7 V至3.6 V，而較新的器件則可承受2.2 V至3.6V。我們觀察到，
三個(gè)二極管每片下降600 mV，將使我們處于3.2 V；
即使三個(gè)電壓都低至470 mV或高達(dá)750 mV，我們也將保持在2.7–3.6 V范圍內(nèi)；和
在新型MCU的2.2–3.6 V范圍內(nèi)，二極管正向電壓可以在470 mV至930 mV的范圍內(nèi)。
MCU電流消耗
如果我們可以依靠恒壓降模型，那么三二極管電壓“調(diào)節(jié)器”將很容易實(shí)現(xiàn)。但是在這樣的應(yīng)用程序中，我們需要一種更精確的分析方法。
二極管所下降的確切電壓是電流的平穩(wěn)變化函數(shù)。因此，三個(gè)MCU下降后剩余的電源電壓將根據(jù)MCU在任何給定時(shí)刻消耗的電流而發(fā)生顯著變化。
我們要做的是仔細(xì)估算MCU的電流消耗，然后二極管數(shù)據(jù)表中正向電流與正向電壓的關(guān)系圖可幫助我們確定二極管的壓降是否在可接受的范圍內(nèi)。
這是一個(gè)例子：
BAS16GW二極管的正向電流與正向電壓的關(guān)系圖。
假設(shè)我們?cè)噲D保持在2.7 V–3.6 V的電源電壓范圍內(nèi)。如果我們?cè)谑覝叵逻\(yùn)行，并且微控制器需要1 mA電流，則二極管壓降將在600 mV范圍內(nèi)。這使我們接近V DD范圍的中間。
如上所述，二極管電壓的下限和上限分別為470 mV和750 mV，這對(duì)應(yīng)于約80μA至10 mA的電流消耗范圍（80μA是一個(gè)近似值，因?yàn)樵搱D未擴(kuò)展如此低的電流）。
對(duì)于我們?cè)诒疚闹锌紤]的應(yīng)用，除非MCU必須提供大量的I / O電流來驅(qū)動(dòng)LED等，否則10 mA會(huì)相當(dāng)高。所述EFM8忙碌的蜜蜂，例如，在24.5兆赫工作時(shí)只消耗約4.5毫安。在1.53 MHz時(shí)電流消耗降至0.9 mA。
當(dāng)您查看這些數(shù)字時(shí)，三二極管穩(wěn)壓器似乎是一個(gè)可行的選擇，并且可能會(huì)在相當(dāng)多的應(yīng)用中提供足夠的性能。但是，在進(jìn)行成本分析之前，我們需要討論一個(gè)重要的限制。
處理低電流MCU狀態(tài)
隨著MCU的電流消耗減少，二極管的壓降也減小，這導(dǎo)致向器件的V DD引腳提供更高的電壓。如果V DD電壓過高，可能會(huì)損壞MCU。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入某種低功耗睡眠或待機(jī)模式時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。
但是，另一種可能性是正常復(fù)位將導(dǎo)致暫時(shí)的低電流消耗。這將是一個(gè)瞬態(tài)事件，因此，旁路電容器可能會(huì)保護(hù)MCU，但我從未在實(shí)際電路中使用過三二極管穩(wěn)壓器，所以我不確定。
這些問題的解決方案是包括防止電流過低危險(xiǎn)的附加電路。如果您有其他組件通過二極管吸收電流，則可以自動(dòng)完成此操作。否則，您可以包括一個(gè)電阻，該電阻的大小取決于可接受的最小二極管電流：
這真的可以降低成本嗎？
如果MCU的旁路電容不能充分穩(wěn)定穩(wěn)壓器，則還需要一個(gè)輸出電容器。（我總是為穩(wěn)壓器和MCU使用單獨(dú)的電容器，但如果您認(rèn)為它們可以共用一個(gè)電容，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論中告知我們。）1μF的陶瓷電容將使BOM成本增加一些成本。
我看到一個(gè)三二極管陣列（即，一個(gè)表面安裝封裝中的三個(gè)獨(dú)立二極管）的價(jià)格為2美分。單個(gè)表面貼裝二極管的價(jià)格低至約1.2分，總成本僅為3.6分。電阻器比電容器便宜一點(diǎn)，也許是0.2分。
這些數(shù)字表明可以適度降低成本。但是，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，我的直覺告訴我，考慮所有購買因素后，從經(jīng)濟(jì)角度看，三二極管解決方案看起來會(huì)更好。