用于低压系统的模拟IC

2011-02-15 19:20:20来源: 互联网

引言

低压器件大多用于对尺寸、重量、功耗要求苛刻的场合,例如:PDA、手机及其它电池供电的便携设备。低压器件同样也适合交流电供电设备,因为低电压带来的低功耗允许设备使用更小的电源、散热器和风扇。

Maxim的产品线涵盖了许多低压IC,包括:运算放大器、比较器、微处理器监控电路、接口、数据转换器、模拟开关和复用器、电压基准、DC-DC转换器、数字电位器以及实时时钟等时钟芯片。

本文涉及上述多个模拟IC产品线的器件,能够从根本上降低工作电流,以下讨论了与低压工作相关的问题,提供了从5V电源产生更低电压的方案。表1给出了Maxim的1.8V、2.5V、3.0V和3.3V供电IC的选型表。

表1. Maxim低压器件选型表

Category 1.8V 2.5V 3V 3.3V
µP Supervisors MAX6326 MAX6742 MAX6745 MAX6745
A/D Converters MAX1122 MAX1462 MAX1115 MAX1144
Analog Switches MAX4695 MAX4644 MAX4653 MAX4592
Charge-Pump Voltage Converters
MAX619 MAX1673 MAX1730
Inductor-Based, Step-Up Regulators MAX1687 MAX1706 MAX1678 MAX1709
Inductor-Based, Step-Down Regulators MAX1928 MAX1928 MAX1921 MAX1921
Comparators, Fast LMX331 MAX997 MAX997 MAX997
Comparators, Low Current MAX9020 MAX9020 MAX9020 MAX9020
Comparators, Low Offset MAX966 MAX997 MAX997 MAX997
D/A Converters MAX5522 MAX5523 MAX5811 MAX5355
Digital Pots
DS4301 MAX5408 MAX5408
Linear Regulators MAX1589 MAX1818 MAX1589 MAX1818
Multiplexers MAX4638 MAX4638 MAX4639 MAX4701
Op Amps, Fast MAX4291 MAX410 MAX4489 MAX4489
Op Amps, Low Current MAX4036 MAX4036 MAX4036 MAX4036
Op Amps, Low Offset MAX480 MAX4236A MAX4238 MAX4238
Real-Time Clocks DS1375 DS1375 DS1375 DS1375
References MAX6018A MAX6029 MAX6029 MAX6029
RS-232 MAX218 MAX3381E MAX3322E MAX3232E
RS-485
MAX3471 MAX3471 MAX3076E
USB MAX3453 MAX3453 MAX3453 MAX3453

低压工作降低功耗

将系统电源从5V降至一个更低电压可以大大节省系统功耗。对于阻性和容性负载,所节省的功耗与电压的平方成正比;对于恒流负载,例如基准、运算放大器,所节省的功耗与电压成线性比例;对于恒功率负载,例如:硬盘,降低电源电压不会节省功耗,但它要求器件工作在更低的输入电压。表2归纳了低压系统与5V供电系统的功率对照。

表2. 低压系统与5V供电系统的功率对照

Load Type Power-Savings
Formula
Power Savings Compared to 5V (%)
1.8V
Operation
2.5V
Operation
3V
Operation
3.3V
Operation
Resistive (1 - (V / 5)²) x 100 87 75 64 56
Capacitive (1 - (V / 5)²) x 100 87 75 64 56
Constant Current (V / 5) x 100 64 50 40 34

稳压源

关于电压调节器的一般信息

Maxim提供多种稳压器,能够产生低电源电压或者将一个低压转换到另一低压,其中包括:低压差线性稳压器、开关电容电荷泵转换器和基于电感的开关电源。

低压差线性稳压器(LDO)使用简单,要求输入电压高于输出电压,能够提供最高4A的输出电流。LDO具有极低噪声,价格低于开关电源。但是,如果输入电压上升,这些器件会消耗更大功率(产生更多热量)。当然,在输入电压和输出电压差别不大的场合,线性稳压器可以提供较高效率(效率正比于VOUT/VIN)。

电荷泵能够将一个直流电压提升到更高水平,或对输入电压进行反相。它通过电容储存能量,提供小尺寸、低成本的DC-DC转换电路。然而,这类器件的输出电流通常低于0.75A,仅限于低功率场合应用。

基于电感的开关调节器能够支持低功率和大功率的DC-DC转换,既可以升压(boost),也可以降压(buck)。Maxim的boost转换器能够提供高达4A的输出电流,buck转换器可以提供高达60A的输出电流。

低压差线性稳压器

线性稳压器要求输入电压高于输出电压。所需要的输入电压与输出电压的最小差值称为压差。新型线性稳压器比早期的线性稳压器(如LM7905)具有更低压差,因此,称其为低压差线性稳压器或LDO。Maxim提供众多类型的LDO,正压输出可低至0.75V (预置电压),也可以调节到0.5V。另外,我们还提供负压输出的LDO,输出电压范围为-2.5V至-5V。

利用LDO实现低压转换既经济又简单,MAX1589 LDO系列产品使用简单,提供0.75V至3.0V的预置输出电压,500mA满载输出条件下,压差低至0.175V。MAX1818 LDO系列产品同样提供0.75V至3.0V的预置输出电压,输出电流可达500mA,输出电压可以调节到最低1.25V,500mA满载输出条件下,压差可以低至0.12V。


图1. MAX1589 500mA LDO提供0.75V、1.0V、1.3V、1.5V、2.5V和3.0V预置输出电压;MAX1818 500mA LDO提供1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.0V和5.0V预置输出电压,可调节输出电压范围为1.25V至5V。

MAX8510 LDO系列产品集成了便携设备所要求的一些重要功能:小尺寸(SC70)、低压差(在120mA时为120mV)、低电源电流(90µA,最大值)。MAX8510/MAX8511可以提供多种预置输出电压,输出范围为1.5V至4.5V;MAX8512的输出电压可以通过外部电阻调节。

电荷泵电压转换器

对于低电流应用,将3V电压转换到5V输出最简单的方案是基于电容的电荷泵(图2)。工业标准的7660和大多数其它型号的电荷泵不能提供稳压输出VOUT,而MAX619内置模拟基准和误差放大器,该误差放大器输出控制一组连接至外部电容的内部开关。开关电容网络可以实现VIN的倍压或三倍压,MAX619通过切换不同的工作模式,最终获得稳定的输出电压。以下电路能够在2V至3.6V输入下产生5V ±4%的输出电压,电流可达20mA。对于3.0V至3.6V输入,输出电流可以达到50mA。

图2. 仅占用不到0.1in2的电路板尺寸,MAX619稳压型电荷泵转换器能够从2V至3.6V输入产生5V ±4%输出,电流可达20mA;3V至3.6V输入时,电流可达50mA。
图2. 仅占用不到0.1in²的电路板尺寸,MAX619稳压型电荷泵转换器能够从2V至3.6V输入产生5V ±4%输出,电流可达20mA;3V至3.6V输入时,电流可达50mA。

MAX5008是稳压型5V USB电荷泵,可以从低至2.9V的输入电压提供高达125mA的输出电流,非常适合3.0V或3.3V供电的USB主设备。

处理双极性信号的系统通常需要一路负压供电,必要时可以使用本地供电,MAX889等电荷泵反相器是一种便捷的选择。

基于电感的开关调节器

开关调节器提供单路或多路输出,可以采用脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度调制(PWM),也可以同时采用这两种工作模式,具体取决于对输出功率的要求。PFM控制机制在轻载下可以获得较高效率,静态电流可低至10µA。PWM架构功耗较大,但其固定频率工作方式有助于降低噪声和EMI。有些转换器可以根据控制信号或负载电流的大小在这两种控制方式之间切换工作模式。

LDO在较低压差(VIN - VOUT)应用场合能够获得较高效率,但在多数应用中,输入电压明显高于输出电压。这种情况下,需要使用降压型开关调节器。收音机、手机等RF应用中,可以选择开关电源,但须注意避免在敏感的IF频段引入干扰噪声。

对于RF应用,一个理想的选择是MAX1684开关调节器。这款器件能够从4V至12V输入产生3.3V、1A输出,效率可达97%。内置300kHz振荡器和MOSFET,简单易用。

为了满足低电压、低功耗IC的需求,可以选择高效的buck调节器升级现有的逻辑板。这些电路板通常提供3.3V电源,但需要1.8V电源为新的低压逻辑电路供电。利用线性稳压器可以方便地把3.3V电压转换成1.8V,但当负载电流较大时会消耗较大功率,这在许多应用中是无法接受的。例如,需要2A输出电流时,线性稳压器的功耗将达到3W,需要加装散热片。此时,MAX1830高效率开关电源(图3)能够以大于90%的效率提供20mA至2A的输出电流,无需外部MOSFET,也不需要散热片。

图3. MAX1830开关调节器以高于90%的效率将3.3V电源转换成1.8V,输出电流范围为20mA至2A,无需外部MOSFET。
图3. MAX1830开关调节器以高于90%的效率将3.3V电源转换成1.8V,输出电流范围为20mA至2A,无需外部MOSFET。

MAX1830采用微小的16引脚QSOP封装,输入电压范围为3V至5.5V。其静态工作电流为325µA,待机模式下只有0.2µA。较高的开关频率(高达1MHz)允许外部使用小尺寸、低成本的表贴元件。

多输出开关调节器用于多电源供电系统,例如,在笔记本电脑中产生VCC,可以使用MAX1999,能够产生四路稳压输出(图4)。

图4. MAX1999开关调节器产生四路输出电压,其中包括两路高效率的大功率开关调节器和两个低功率LDO。它还包含电源就绪输出、关断控制、限流以及引脚可编程的上电顺序等功能。
图4. MAX1999开关调节器产生四路输出电压,其中包括两路高效率的大功率开关调节器和两个低功率LDO。它还包含电源就绪输出、关断控制、限流以及引脚可编程的上电顺序等功能。

数据转换器

A/D转换器

在便携设备中,低功耗对于A/D转换器(ADC)来说非常重要。这些应用通常要求高速转换,而高速与低功耗在系统设计中是相互矛盾的两个因素。针对这类需求,Maxim开发了一系列能够在采样期间保持合理的电流损耗,而在关断期间具有极低电流损耗的ADC。从而使转换器不必连续工作,节省系统功耗。

例如,MAX1115能够每秒钟转换100k次采样。工作在+3V时仅消耗175µA电流;自动关断模式下仅消耗1µA电流。这样,MAX1115能够在间断性采样的应用中节省大量功耗(图5)。

图5. 通过在两次数据转换之间进入1µA低功耗关断模式,MAX1115 8位ADC能够大大降低电源电流。
图5. 通过在两次数据转换之间进入1µA低功耗关断模式,MAX1115 8位ADC能够大大降低电源电流。

手机中的信号强度测量(RSSI:接收信号强度测量)是这类应用的一个典型案例,MAX1115以2ksps的速率量化信号,仅从3V电源消耗2µA电流。整体系统误差(失调、积分非线性、增益误差之和)小于1 LSB,SINAD (信号与噪声 + 失真比)低于48dB。

D/A转换器

新型D/A转换器(DAC)使得低压数字系统能够产生模拟输出

[1] [2] [3]

关键字:低压  低压系统  系统  模拟

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0215/article_4905.html
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