19种电压转换的电路设计方法（上)

liuyian2011

标准三端线性稳压器的压差通常是2.0-3.0V。要把5V可靠地转换为 3.3V，就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降（Low Dropout， LDO）稳压器，是此类应用的理想选择。图1-1是基本LDO系统的框图，标注了相应的电流。从图中可以看出，LDO由四个主要部分组成：

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技巧一：使用LDO稳压器，从5V电源向3.3V系统供电

标准三端线性稳压器的压差通常是2.0-3.0V。要把5V可靠地转换为 3.3V，就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降（Low Dropout， LDO）稳压器，是此类应用的理想选择。图1-1是基本LDO系统的框图，标注了相应的电流。从图中可以看出，LDO由四个主要部分组成：

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1. 导通晶体管

2. 带隙参考源

3. 运算放大器

4. 反馈电阻分压器

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在选择LDO时，重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数，将会得到最优的设计。

LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流IGND。IGND是 LDO用来进行稳压的电流。当IOUT››IQ时，LDO的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而，轻载时，必须将IQ计入效率计算中。具有较低IQ的LDO其轻载效率较高。轻载效率的提高对于LDO性能有负面影响。静态电流较高的LDO对于线路和负载的突然变化有更快的响应。

技巧二：采用齐纳二极管的低成本供电系统

这里详细说明了一个采用齐纳二极管的低成本稳压器方案。

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可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本3.3V稳压器，如图2-1所示。在很多应用中，该电路可以替代LDO稳压器并具成本效益。但是，这种稳压器对负载敏感的程度要高于LDO稳压器。另外，它的能效较低，因为R1和D1始终有功耗。R1限制流入D1和PICmicro® mcu的电流，从而使VDD保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时，二极管的反向电压也将发生改变，所以需要仔细考虑R的值。

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R1的选择依据是：在最大负载时——通常是在PICmicro MCU运行且驱动其输出为高电平时——R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时，在最小负载时——通常是PICmicro MCU复位时——VDD不超过齐纳二极管的额定功率，也不超过PICmicro MCU的最大VDD。

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技巧三：采用3个整流二极管的更低成本供电系统

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图3-1详细说明了一个采用3个整流二极管的更低成本稳压器方案。

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我们也可以把几个常规开关二极管串联起来，用其正向压降来降低进入的PICmicro MCU的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。

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所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管 D1-D3的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接R1是为了避免在负载最小时——通常是PICmicro MCU处于复位或休眠状态时——PICmicro MCU VDD引脚上的电压超过PICmicro MCU的最大VDD值。根据其他连接至VDD 的电路，可以提高R1的阻值，甚至也可能完全不需要R1。二极管D1-D3的选择依据是：在最大负载时——通常是 PICmicro MCU运行且驱动其输出为高电平时——D1-D3上的电压降要足够低从而能够满足PICmicro MCU的最低VDD要求。

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技巧四：使用开关稳压器，从5V电源向3.3V系统供电

如图4-1所示，降压开关稳压器是一种基于电感的转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制MOSFET Q1的导通（ON）时间来实现的。由于MOSFET要么处于低阻状态，要么处于高阻状态（分别为ON和OFF），因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。

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当Q1在这两种状态期间时，通过平衡电感的电压-时间，可以建立输入和输出电压之间的关系。

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对于MOSFET Q1，有下式：

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在选择电感的值时，使电感的最大峰-峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值，是个很好的初始选择。

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在选择输出电容值时，好的初值是：使LC滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果突然卸掉负载，电压过冲能处于可接受范围之内。

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在选择二极管D1时，应选择额定电流足够大的元件，使之能够承受脉冲周期（IL）放电期间的电感电流。

数字连接

在连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。表4-1是本文档所使用的输出、输入阈值。在设计连接时，请务必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。

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技巧五：3.3V →5V直接连接

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将3.3V输出连接到5V输入最简单、最理想的方法是直接连接。直接连接需要满足以下2点要求：

• 3.3V输出的VOH大于5V输入的VIH

• 3.3V输出的VOL小于5V输入的VIL

能够使用这种方法的例子之一是将3.3V LVCMOS输出连接到5V TTL输入。从表4-1中所给出的值可以清楚地看到上述要求均满足。

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3.3V LVCMOS的VOH（3.0V）大于5V TTL的VIH（2.0V）且3.3V LVCMOS 的VOL（0.5V）小于5V TTL的VIL（0.8V）。

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如果这两个要求得不到满足，连接两个部分时就需要额外的电路。可能的解决方案请参阅技巧 6、7、8和13。

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技巧六：3.3V→5V使用MOSFET转换器

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如果5V输入的VIH比3.3V CMOS器件的VOH要高，则驱动任何这样的5V输入就需要额外的电路。图 6-1所示为低成本的双元件解决方案。

在选择R1的阻值时，需要考虑两个参数，即：输入的开关速度和R1上的电流消耗。当把输入从0切换到1时，需要计入因R1形成的RC时间常数而导致的输入上升时间、5V输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下式计算：

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由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的，提高输入开关速度的惟一途径是降低R1的阻值。而降低R1阻值以获取更短的开关时间，却是以增大5V输入为低电平时的电流消耗为代价的。通常，切换到0要比切换到1的速度快得多，因为N沟道MOSFET的导通电阻要远小于R1。另外，在选择N沟道FET时，所选FET的VGS应低于3.3V输出的VOH。

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由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的，提高输入开关速度的惟一途径是降低R1的阻值

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