單片機開(kāi)發(fā)供電的低成本方法

2020-12-03

我在這里想象的用例是PCB上已經(jīng)有5 V電源軌的3.3 V微控制器。產(chǎn)品的主要電源（例如，來(lái)自墻壁變壓器的電源）可能是5 V，或者開(kāi)關(guān)會(huì )為板上的其他組件產(chǎn)生5V。無(wú)論如何，您只有5 V，而對于小型，低功耗MCU則需要3.3 V，該MCU始終執行基本的監視，控制和通信任務(wù)。

想象一下，我們正在消費電子領(lǐng)域中工作-該產(chǎn)品不需要承受極端的溫度變化，沒(méi)有人的壽命取決于它，而將成本降至最低是中心設計目標。

像我這樣的過(guò)度設計人員本能地尋求線(xiàn)性穩壓器IC，其電流容量可能比我所需的電流大五倍，并且收集了與我的應用無(wú)關(guān)的驚人規格-在整個(gè)溫度范圍，輸入電壓范圍內，V OUT精度為2％高達20 V，0.001％/ V的線(xiàn)路調節率等

您可能會(huì )認為我正朝著(zhù)基于穩壓二極管的穩壓器發(fā)展，但我想到的要比這更基本：它只是三個(gè)普通二極管的串聯(lián)連接。

我們在這里所做的就是利用二極管壓降將5 V電源軌帶入微控制器可接受的電源電壓范圍內。這真的有效嗎？好吧，首先讓我們看一下基本電壓和電流注意事項。

電源電壓和二極管壓降

我最熟悉Silicon Labs制造的處理器，因此我將使用其規格作為代表示例。陣容中較舊的3.3 V器件的V DD范圍為2.7 V至3.6 V，而較新的器件則可承受2.2 V至3.6V。然后，我們觀(guān)察到 

三個(gè)二極管每片下降600 mV，將使我們處于3.2 V； 

即使三個(gè)電壓都低至470 mV或高達750 mV，我們也將保持在2.7–3.6 V范圍內；和

在新型MCU的2.2–3.6 V范圍內，二極管正向電壓可以在470 mV至930 mV的范圍內。

MCU電流消耗

如果我們可以依靠恒壓降模型，那么三二極管電壓“調節器”將很容易實(shí)現。但是在這樣的應用程序中，我們需要一種更精確的分析方法。

二極管所下降的確切電壓是電流的平穩變化函數。因此，三個(gè)MCU下降后剩余的電源電壓將根據MCU在任何給定時(shí)刻消耗的電流而發(fā)生顯著(zhù)變化。

我們要做的是仔細估算MCU的電流消耗，然后二極管數據表中正向電流與正向電壓的關(guān)系圖可幫助我們確定二極管的壓降是否在可接受的范圍內。

這是一個(gè)例子：

BAS16GW二極管的正向電流與正向電壓的關(guān)系圖。

假設我們試圖保持在2.7 V–3.6 V的電源電壓范圍內。如果我們在室溫下運行，并且微控制器需要1 mA電流，則二極管壓降將在600 mV范圍內。這使我們接近V DD范圍的中間。

如上所述，二極管電壓的下限和上限分別為470 mV和750 mV，這對應于約80μA至10 mA的電流消耗范圍（80μA是一個(gè)近似值，因為該圖未擴展如此低的電流）。

對于我們在本文中考慮的應用，除非MCU必須提供大量的I / O電流來(lái)驅動(dòng)LED或類(lèi)似器件，否則10 mA會(huì )相當高。所述EFM8忙碌的蜜蜂，例如，在24.5兆赫工作時(shí)只消耗約4.5毫安。在1.53 MHz時(shí)電流消耗降至0.9 mA。

當您查看這些數字時(shí)，三二極管穩壓器似乎是一個(gè)可行的選擇，并且可能會(huì )在相當多的應用中提供足夠的性能。但是，在進(jìn)行成本分析之前，我們需要討論一個(gè)重要的限制。

處理低電流MCU狀態(tài)

隨著(zhù)MCU的電流消耗減少，二極管的壓降也減小，這導致向器件的V DD引腳提供更高的電壓。如果V DD電壓過(guò)高，可能會(huì )損壞MCU。當設備進(jìn)入某種低功耗睡眠或待機模式時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種情況。

但是，另一種可能性是正常復位將導致暫時(shí)的低電流消耗。這將是一個(gè)瞬態(tài)事件，因此，旁路電容器可能會(huì )保護MCU，但我從未在實(shí)際電路中使用過(guò)三二極管穩壓器，所以我不確定。

這些問(wèn)題的解決方案是包括防止電流過(guò)低危險的附加電路。如果您有其他組件通過(guò)二極管吸收電流，則可以自動(dòng)完成此操作。否則，您可以包括一個(gè)電阻，該電阻的大小取決于可接受的最小二極管電流：

這真的可以降低成本嗎？

我在Digi-Key上找到的最便宜的線(xiàn)性穩壓器IC成本為4.3美分（本節中提到的所有價(jià)格均涉及大批量訂單，即數千個(gè)單位）。

如果MCU的旁路電容不能充分穩定穩壓器，則還需要一個(gè)輸出電容器。（我總是為穩壓器和MCU使用單獨的電容器，但如果您認為它們可以共用一個(gè)電容，請在評論中告知我們。）1μF的陶瓷電容將使BOM成本增加0.3-0.4美分。

我看到一個(gè)三二極管陣列（即，一個(gè)表面安裝封裝中的三個(gè)獨立二極管）的價(jià)格為2美分。單個(gè)表面貼裝二極管的價(jià)格低至約1.2美分，總成本僅為3.6美分。電阻要比電容器便宜一些，也許是0.2美分。

這些數字表明可以適度降低成本。但是，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，我的直覺(jué)告訴我，如果考慮所有購買(mǎi)因素，從經(jīng)濟角度來(lái)看，三二極管解決方案看起來(lái)會(huì )更好。