現代電源技術的發(fā)展和低功耗集成電路的應用
對于固定電源與可調電源,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是常用可調電壓輸出集成電路。而現在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。
開關電源以其體積小、效率高、環(huán)路PWM控制、輸出短路和過載保護等特性已占領了電源市場,線性電源已經完成了使命,逐步退出歷史舞臺。
低功耗管理策略
隨著IT技術發(fā)展,電子信息行業(yè)從模擬時代過渡到數字時代,從分離晶體管時代過渡到集成電路時代,從純硬件電路過渡到軟硬件相結合、操作系統可裁減的嵌入式系統。數字技術高速發(fā)展,對電子系統低能耗要求越來越高,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
現代CPU為降低系統功耗,無論在軟件上還是硬件上都支持電源低功耗管理模塊APM(AdvancedPowerManagement)、高級配置和電源接口ACPI(AdvancedConfigurationandPowerInteRFace),對多個電源轉換模塊和外部元件通過數字內核和內部通信接口進行控制,以提供更高的系統性能、可靠性以及更低的功耗;對APM和ACPI進行創(chuàng)新和運用,并引入CPU系統內核和I/O中,特別是嵌入式系統和 FPGA系統。
例如,FPGA系統電源功耗一般取決于以下因素:內部資源使用頻率、工作時鐘頻率、輸出變化頻率、布線密度、I/O電壓等。不同應用電源實際功耗相差非常大,根據采用FPGA系列不同、內核和I/O供電電壓不同,可能是3.3V、2.5V、1.8V和1.5V。
(2)靜態(tài)與動態(tài)電源低功耗策略
靜態(tài)電源策略是指系統在初始化過程中的電源低功耗管理技術,其功能和管理模式隨系統初始化確定。動態(tài)電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術。調整程序運行頻率,當系統忙時提高CPU運行速度,系統空閑時使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降低供電時間,從而降低系統功耗。
靜態(tài)電源管理策略在初始化過程中確定,在實際應用中局限性很大;而動態(tài)電源管理技術是在程序運行過程中動態(tài)控制整個系統能耗,并采用各種措施降低功耗,應用更加廣泛。
低功耗集成電路的應用
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電壓串聯穩(wěn)壓集成電路,體積小、集成度高、線性調整率和負載調整率高,在線性電源時代占領了很大市場。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,標準封裝形式有TO-220、TO-263。78和79系列集成電路應用相對固定,電路形式簡單,只是正負直流電壓輸出時應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。由于為正負雙電源輸出,穩(wěn)壓前后直流電壓差應為5~6 V。
3.2 LDO
LDO(LOW DropOut regulator,低壓差線性穩(wěn)壓技術):相對傳統線性穩(wěn)壓技術,LDO輸入和輸出之間電壓差更低。傳統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。典型應用為LM1085和LM1117。
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