便攜式和嵌入式產品空間已經從簡單的日子開始，整個系統基礎設施基于12 V模擬傳感器和5 V邏輯電平。隨著嵌入式顯示器，新傳感器，存儲器，I/O和先進的低功耗控制器的使用越來越多，大多數嵌入式系統現在需要各種各樣的電源域，其中可能包括0.8到1.8 V，2.3 V，2.7的混合電源。 V，3.3 V，5 V和12 V電源。

外部電源變壓器僅提供一個電壓電平，因此必須在PCB上生成其余電壓。這通常使用許多不同的單獨功率調節器或單個更復雜的功率管理IC（PMIC）來完成。這些IC的選擇基于電壓輸出，支持的電流水平以及設計的熱運行條件。

為什么要多個電源？

今天的嵌入式系統通常采用多種技術設計。大多數設計都包含MOS，雙極，MEMS，TFT-LCD和LED技術等組件。隨著工藝和制造規模的擴大，IC的標稱工作電壓已經下降。每個晶體管的電流量也下降了;然而，由于大多數設計中每個芯片有更多晶體管，因此凈電流消耗不一定下降。在設計中使用混合技術正在推動對多個功率調節器的需求。

多個耗材的第二個驅動器是降低功耗。新設計按功能劃分電源域，應用程序需要能夠快速切換這些段的電源開關。為了最佳地降低單個模塊的功率，最好為它們提供獨立的高級功率門控控制和調節。這導致設計具有連接到主電源線的多個本地功率調節器。

這種分段設計流程需要許多不同的功率調節技術。這些包括但不限于線性穩壓器，低壓差（LDO）穩壓器，DC-DC轉換器 - 包括升壓，降壓和升壓降壓穩壓器 - 以及電荷泵電路。

線性和LDO穩壓器

LDO穩壓器的基本功能正如其名稱所暗示的那樣：一個電平的輸入電壓有一些變化，并產生另一個電平的輸出，該輸出電壓比輸入電平更精確地保持該值。大多數線性和LDO穩壓器產生的輸出電壓小于或等于輸入電壓。這些穩壓器利用外部電阻對和保持電容來幫助設置和穩定輸出電平。

如圖1所示，典型的線性穩壓器（Fairchild Semiconductor的LP2951）包括一個關斷控制器。線性穩壓器通常用于常開應用。移動設備功能的增加要求功率控制可切換。在LP2951中，穩壓器的輸出在關斷信號為低電平時可用，當輸出電壓超過由輸入電壓定義的閾值時，輸出變為“關斷”或高阻態，并且不提供任何輸出電流。

圖1：飛兆半導體公司的LP2951 LDO穩壓器框圖（由Fairchild提供）。該穩壓器是具有關斷功能的PMIC的最小引腳配置。線性和LDO穩壓器往往是三到八個引腳，適用于TO-92，TO-220和SO等小尺寸封裝。由于器件很小，它們受到內部設計的熱限制。圖2顯示了器件的典型應用連接，它需要最少的外部元件。 LPC2951可通過外部電阻設置輸出電壓。這些穩壓器還提供固定輸出電壓配置，具有內部電阻設置。線性和LDO穩壓器的精度和高穩定性使其成為存儲器和顯示模塊的首選器件，對電源變化具有高靈敏度。

圖2：飛兆半導體的LP2951 LDO穩壓器應用（由Fairchild提供）。

可調電壓輸出通常選擇用于存儲器應用，因為相同的系統和電路板可能包含來自不同速度和性能等級的存儲器。這些存儲器差異決定了電流消耗和工作電壓的要求。可調節的線性和LDO穩壓器可以在不同的電路板上實現通用的材料清單，只需對不同應用的無源元件進行少量更改即可。

DC-DC開關降壓穩壓器

繼續使用產生比參考電源低的電壓的穩壓器，我們提供降壓型的有源開關DC-DC轉換器。它們使用有源邏輯控制和定時電路來實現高效率（超過90％）。降壓調節器盡管效率高且輸出穩定，但由于輸出電壓中存在時鐘和開關噪聲，因此具有高頻紋波。中頻輸出器件，如飛兆半導體的FAN5358 500 mA降壓轉換器，采用2 MHz時鐘工作。該6引腳器件具有固定的輸出電壓。該器件具有低（25μA）靜態電流，可產生500 mA的1.0至1.8 V穩壓輸出。器件的框圖（見圖3）顯示了有源功能環路和所需的外部電感器。

圖3：飛兆半導體公司的FAN5358降壓穩壓器框圖（由Fairchild提供）。

為了使高電流應用的效率保持在95％的范圍內，需要具有可編程開關頻率的更復雜的電路功能。飛兆半導體的FAN2103全集成同步降壓穩壓器適用于顯卡和機頂盒應用。該器件具有“電源良好”控制信號;斷電，過壓，欠壓和熱保護;和輸入欠壓鎖定控制，以避免損壞芯片和外部組件。所有這些功能都需要一些引腳數和外部元件的成本，如圖4所示，它說明了典型的應用配置。

圖4：飛兆半導體的FAN2103降壓穩壓器應用圖（由Fairchild提供）。

大型25引腳模塑無引線封裝（MLP）使FAN2103的工作溫度范圍為-40℃至+ 850℃，但該器件需要外部散熱器才能在延長工作溫度范圍的上端工作。該器件具有可編程輸出，支持具有已知標稱電壓的標準IC以及可能具有非標準電壓要求的定制芯片。這些高效轉換器支持高達24伏的輸入電壓，因此無需額外的電源管理即可直接從墻上變壓器和電源線電源運行。

DC-DC開關升壓調節器

Boost調節器主要用于提升3.3至5伏范圍內的電池輸出。升壓調節器使用外部電感器和電容器將電荷和電流轉儲到電容器中，以實現更高的輸出電壓。圖5顯示了飛兆半導體的FAN4860同步升壓穩壓器框圖。

圖5：飛兆半導體公司的FAN4860升壓穩壓器框圖（由Fairchild提供）。

像降壓轉換器一樣，升壓轉換器具有必須考慮的熱分量。 FAN4860器件具有電壓和熱鎖定功能，可在必要時關閉它。由于這些調節器傾向于用于小型設備，因此它們通常不與散熱器一起使用。因此，電容器和電感器的熱穩定性必須符合系統運行環境。

對于短時間內，負載設計人員可能會使用電荷泵來產生增加的電壓。電荷泵電路用于瞬態峰值電壓和電流應用。它們利用外部電感或電容元件作為電荷存儲設備，以在新電平建立時保持額外功率。這允許3.3或5伏系統提供12伏特，例如，持續短時間。與升壓和降壓調節器不同，它具有較短的啟動時間，電荷泵具有每次使用的設置和放電周期。來自電荷泵的功率質量通常是基于閾值而不是調節的，并且隨著電流消耗而快速下降。

電源注意事項

盡管它們可能有效，PMIC會耗散功率，從而產生必須從設備傳導出的熱量。為了補充電源管理，PMIC使用散熱器，增加了與系統氣流接觸的表面積。基于散熱器的形狀和被冷卻的部件的形狀，熱量散布在多個表面上。

散熱器必須與調節器保持高度接觸，以幫助引導熱量。因此，它們必須具有牢固的機械連接。大多數通過導熱粘合劑或螺栓固定機械連接進行連接。為了連接TO-220封裝中的標準3端線性穩壓器，有許多鰭片形狀通過夾子和/或螺栓連接到穩壓器的嵌入式電源連接。例如，Aavid Thermalloy的散熱器（見圖6）的外形符合TO-220封裝，并支持單穩壓器和雙穩壓器配置。

圖6：Aavid Thermalloy TO-220散熱器（由Aavid Thermalloy提供）。

對于采用SO和FlatPack封裝的開關穩壓器，有像CUI的VHS-45擠壓散熱器這樣的設備。該器件適用于多種FlatPack產品，并通過四個角孔和螺栓安裝到PCB上（參見圖7）。散熱器有多種尺寸的散熱片可供選擇，具體取決于散熱量和可用空氣流量。在無風扇移動設備中使用散熱器是有限的，因為它們通常需要對流冷卻氣流而不是被動導電流。

圖7：CUI的VHS45擠壓散熱器（由CUI，Inc提供）。

電池支持

除電源調節外，移動和便攜式系統還需要電池管理。此功能包括作為集成功能的電池充電。無論系統是可拆卸電池還是固定電池，現在都需要進行操作充電。此任務對設計人員來說是一個非常大的挑戰，因為對狀態機功能的影響通常很大。隨著嵌入式微控制器和微處理器的興起，增加電池充電電路現在很簡單。 Digi-Key具有用于創建電池電量計的參考設計，其監控電池系統的電力使用和充電控制。