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嵌入式系统中的低功耗设计

嵌入式系统中的低功耗设计

点击数:7993 次   录入时间:03-04 11:37:01   整理:http://www.55dianzi.com   嵌入式系统-技术

  四、电源供给电路

  在数字电路设计中,工程师往往习惯于采用最简单的方式来完成电源的设计,但在对功耗要求严格的情况下,我们就必须对采用何种电压变换结构仔细考虑一番再做决定。

  通常来讲,我们有以下几种进行电压转换的方式:

  •   线性稳压(Linear Regulator)
  •   DC to DC
  •   LDO(Low Drop-Out)

  其中LDO本质上还是一种线性稳压,主要用于压差较小的场合。所以我们将其合并为线性稳压来谈。

  对于线性稳压来说,其特点时电路结构简单,所需元件数量少,输入和输出压差可以很大,但其致命弱点就是效率低,功耗高。其效率η完全取决于输出电压大小。下图是线性稳压器LM7805的输出电流大小相对压差的曲线图。

线性稳压器LM7805的输出电流大小相对压差的曲线图

  由图中可见,压差越大,可提供的最大输出电流越小。假设采用LM7805,输入12V,输出电压为5V,压差为7V, 输出的电流为1A的情况下,我们可以计算出消费在线性稳压器上的功率为P=ΔV*IOUT=7*1=7w,效率仅为η=5×1/(5*1+7*1)= 41.7%,由这个结果我们可以看出,有一大半功率消耗在IC本身上。



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  DC to DC电路的特点是效率高,升降压灵活,但缺点时电路相对复杂,干扰较大。一般常见的由Boost和Buck两种电路,前者用于升压,后者用于降压,示意图如下:

Boost和Buck两种电路

  这两种电路的核心是通过MOS管的开关来控制电感和电容间的能量转换。调节MOS管栅极脉冲信号的占空比可以控制MOS管的导通和关闭,从而改变输出电压的高低。

  下图是一个从12V转换到5V的DC to DC电路图,其控制IC采用国家半导体(NS)的LM2596,实际是采用Buck电路,其MOSFET和相关的控制电路位于芯片内部,其转换效率图如下:

转换效率图

  由转换效率图可见,当输入为12v,输出为5v时,转换效率约为82%,为线性稳压器转换效率的一倍。LM2596的开关频率为固定的130KHz,如果我们提升器件的开关频率,如采用NS的LM2676时(260KHZ开关频率),在同样的应用条件下,效率可达88%以上。

  从上面的论述中我们可见,在适当的情况下使用DC-DC的电压转换线路,可以有效地节约能量,降低整机功耗。

  参考文献:

  1、 Dynamic Power Management for Embedded System, Version 1.1 November 19, 2002, IBM& MontaVista SOFtware

  2、 Low Power Design , Dec 28 2001, Mike Willey & Kris Stafford, www.embedded.com

  3、 System Level Power-Performance Trade-Offs in Embedded SystEMS Using Voltage and Frequency Scaling of Off-Chip Buses and Memory, Kiran Puttaswamy, Kyu-Won Choi, Jun Cheol Park等



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