单片机开发供電(diàn)的低成本方法

2020-11-24

工程并不是要找到针对每个问题的最高性能(néng)，最复杂，最防弹的解决方案。期望工程师在预算和进度限制与技术规范之间取得平衡，以便针对所有(yǒu)相关设计因素优化最终系统。

此外，过度设计有(yǒu)时是懒惰的症状。与设计定制電(diàn)路相比，我可(kě)以更容易地找到现成的IC，当我可(kě)以吹捧IC的“优越”性能(néng)规格并向自己保证我正在使系统更坚固时，这种方法变得更加容易。但是，如果IC成本的两倍定制電(diàn)路是足够的，即满足系统要求？这是好的工程吗？

二极管稳压器

我在这里想象的用(yòng)例是已经有(yǒu)5 V電(diàn)源轨的PCB上的3.3 V微控制器。产品的主要電(diàn)源（例如，来自墙壁变压器的電(diàn)源）可(kě)能(néng)是5 V，或者开关会為(wèi)板上的其他(tā)组件产生5V。无论如何，您只有(yǒu)5 V，而对于小(xiǎo)型，低功耗MCU则需要3.3 V，该MCU始终执行基本的监视，控制和通信任務(wù)。

想象一下，我们正在消费電(diàn)子领域中工作-该产品不需要承受极端的温度变化，没有(yǒu)人的寿命取决于它，而将成本降至最低是中心设计目标。

像我这样的过度设计人员本能(néng)地寻求線(xiàn)性稳压器IC，其電(diàn)流容量可(kě)能(néng)比我所需的電(diàn)流大五倍，并且收集了与我的应用(yòng)无关的惊人规格-在整个温度范围，输入電(diàn)压范围内，V OUT精度為(wèi)2％高达20 V，0.001％/ V的線(xiàn)路调节率等

您可(kě)能(néng)会认為(wèi)我正朝着基于齐纳二极管的稳压器前进，但我想到的甚至比这更基本：它只是三个普通二极管的串联连接。

确保阅读下面的“处理(lǐ)低電(diàn)流MCU状态”部分(fēn)！您可(kě)能(néng)需要包括一个電(diàn)阻，以确保该電(diàn)路对您的微控制器是安全的。

我们在这里所做的就是利用(yòng)二极管压降将5 V電(diàn)源轨带入微控制器可(kě)接受的電(diàn)源電(diàn)压范围内。这真的有(yǒu)效吗？好吧，首先让我们看一下基本電(diàn)压和電(diàn)流注意事项。

電(diàn)源電(diàn)压和二极管压降

我最熟悉Silicon Labs制造的处理(lǐ)器，因此我将使用(yòng)其规格作為(wèi)代表示例。阵容中较旧的3.3 V器件的V DD范围為(wèi)2.7 V至3.6 V，而较新(xīn)的器件则可(kě)承受2.2 V至3.6V。我们观察到， 

三个二极管每片下降600 mV，将使我们处于3.2 V； 

即使三个電(diàn)压都低至470 mV或高达750 mV，我们也将保持在2.7–3.6 V范围内；和

在新(xīn)型MCU的2.2–3.6 V范围内，二极管正向電(diàn)压可(kě)以在470 mV至930 mV的范围内。

MCU電(diàn)流消耗

如果我们可(kě)以依靠恒压降模型，那么三二极管電(diàn)压“调节器”将很(hěn)容易实现。但是在这样的应用(yòng)程序中，我们需要一种更精确的分(fēn)析方法。

二极管所下降的确切電(diàn)压是電(diàn)流的平稳变化函数。因此，三个MCU下降后剩余的電(diàn)源電(diàn)压将根据MCU在任何给定时刻消耗的電(diàn)流而发生显着变化。

我们要做的是仔细估算MCU的電(diàn)流消耗，然后二极管数据表中正向電(diàn)流与正向電(diàn)压的关系图可(kě)帮助我们确定二极管的压降是否在可(kě)接受的范围内。

这是一个例子：

BAS16GW二极管的正向電(diàn)流与正向電(diàn)压的关系图。 

假设我们试图保持在2.7 V–3.6 V的電(diàn)源電(diàn)压范围内。如果我们在室温下运行，并且微控制器需要1 mA電(diàn)流，则二极管压降将在600 mV范围内。这使我们接近V DD范围的中间。

如上所述，二极管電(diàn)压的下限和上限分(fēn)别為(wèi)470 mV和750 mV，这对应于约80μA至10 mA的電(diàn)流消耗范围（80μA是一个近似值，因為(wèi)该图未扩展如此低的電(diàn)流）。

对于我们在本文(wén)中考虑的应用(yòng)，除非MCU必须提供大量的I / O電(diàn)流来驱动LED等，否则10 mA会相当高。所述EFM8忙碌的蜜蜂，例如，在24.5兆赫工作时只消耗约4.5毫安。在1.53 MHz时電(diàn)流消耗降至0.9 mA。

当您查看这些数字时，三二极管稳压器似乎是一个可(kě)行的选择，并且可(kě)能(néng)会在相当多(duō)的应用(yòng)中提供足够的性能(néng)。但是，在进行成本分(fēn)析之前，我们需要讨论一个重要的限制。

处理(lǐ)低電(diàn)流MCU状态

随着MCU的電(diàn)流消耗减少，二极管的压降也减小(xiǎo)，这导致向器件的V DD引脚提供更高的電(diàn)压。如果V DD電(diàn)压过高，可(kě)能(néng)会损坏MCU。当设备进入某种低功耗睡眠或待机模式时，就会发生这种情况。

但是，另一种可(kě)能(néng)性是正常复位将导致暂时的低電(diàn)流消耗。这将是一个瞬态事件，因此，旁路電(diàn)容器可(kě)能(néng)会保护MCU，但我从未在实际電(diàn)路中使用(yòng)过三二极管稳压器，所以我不确定。

这些问题的解决方案是包括防止電(diàn)流过低危险的附加電(diàn)路。如果您有(yǒu)其他(tā)组件通过二极管吸收電(diàn)流，则可(kě)以自动完成此操作。否则，您可(kě)以包括一个電(diàn)阻，该電(diàn)阻的大小(xiǎo)取决于可(kě)接受的最小(xiǎo)二极管電(diàn)流：

这真的可(kě)以降低成本吗？

如果MCU的旁路電(diàn)容不能(néng)充分(fēn)稳定稳压器，则还需要一个输出電(diàn)容器。（我总是為(wèi)稳压器和MCU使用(yòng)单独的電(diàn)容器，但如果您认為(wèi)它们可(kě)以共用(yòng)一个電(diàn)容，请在评论中告知我们。）1μF的陶瓷電(diàn)容将使BOM成本增加一些成本。

我看到一个三二极管阵列（即，一个表面安装封装中的三个独立二极管）的价格為(wèi)2美分(fēn)。单个表面贴装二极管的价格低至约1.2分(fēn)，总成本仅為(wèi)3.6分(fēn)。電(diàn)阻器比電(diàn)容器便宜一点，也许是0.2分(fēn)。

这些数字表明可(kě)以适度降低成本。但是，这是一个简单的分(fēn)析，我的直觉告诉我，考虑所有(yǒu)購(gòu)买因素后，从经济角度看，三二极管解决方案看起来会更好。