小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列三、嵌入式硬件设计（1）嵌入式系统电源管理

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一、电源管理

(1)系统上电行为

(2)空闲模式

(3)断电

(4)电压与频率缩放

例如

具体实现如下:

① +12V 转+8V

② +12V 转-8V

③ +12V 转+5V

④ +5V 转+3.3V

⑤ +24V 转+5V

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嵌入式电源系统是集成在嵌入式系统中，为嵌入式设备提供直流基础电能的电源设备，是一种安全、可靠、高性能的供电系统。一般来说，嵌入式电源的输入都为交流市电，输出是常见直流 12V、5V、3.3V，是一类二次电源设备。

交流电源是嵌入式系统较为重要的电能来源之一。嵌入式系统的电能由该类电源直接或者间接提供。通常使用市电作为输入，通过一系列变化、转化操作将交流高压电转变为低压直流电。

电池是许多嵌入式系统直接供电的电源，诸如手机、传感器，都会使用电池供电。电池的供电设备往往是功耗相对较小，而连续工作时间较长的设备，因此嵌入式系统的功耗有着较为严格的要求，在不同的应用场景需求下可能会增加电池的容量。

稳压器则是常见配合交流电源与电池使用的一种元器件。由于嵌入式系统中往往需要多种电压，因此在嵌入式系统中会使用稳压器将电压降至所需范围。

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一、电源管理

嵌入式系统的一个典型的硬性需求是降低功耗，许多嵌入式设备往往使用电池供电，并且常年无人看管，因此功耗问题非常重要。而在电池容量有限或者设备数量较大的时候，系统的功耗就变得至关重要。

首先绝大多数嵌入式系统都会包含基础电源管理功能以降低功耗。

(1)系统上电行为

嵌入式系统的组件往往在系统正常启动之后才能进入低功耗模式，因此在上电的时候通常会以较高的功率来运行。而上电期间很多设备并不需要工作，因此在上电启动的时候需要有效管理这些设备以减小功耗。

(2)空闲模式

CMOS 电路有效的功耗是在电路时钟工作的时候产生的，因此可以通过关闭不需要的时钟来降低功耗。而现代嵌入式系统所使用的元器件往往都提供了通过外部事件唤醒的功能，因此在不使用某些模块的期间内，可以通过主处理器向相关元器件发送“睡眠”指令，以指示其进入低功耗状态。当需要重新触发器件进入工作时，通过特定的触发事件进行元器件唤醒。

(3)断电

由于逆向偏压泄露，电路元器件在低功耗模式下依然会损耗电能，因此对于低功耗模式消耗电能较大或者长期不使用的元器件，可以做断电处理以减少功耗。

(4)电压与频率缩放

有效功率与切换频率成线性比例，但与电源电压平方成正比。经常以较低的频率运行于全时钟频率，然后转入闲置，并不能节约很多功率。在此种情况下，可以通过降低电压来节约功率。

例如

某嵌入式系统数字电路部分需要支流电源供电，输入电压为 220V 交流电，电源管理模块首先采用的开关电源将 220V 的交流电转换为直流电压,再利用低压线性稳压器为各个子模块供电，对应的实现框图如图 3-1 所示。

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在电源产生电路中，为了避免模拟信号与数字信号地之间的相互干扰，将输入的220V 交流电压转换为两个独立的直流电源，再分别为模拟电路和数字电路的电源供电。例如该项目设计中需要 12V、24V、5V、8V、-8V、3.3V 等不同电压，对应的电源管理系统拓扑结构如图 3-2 所示。

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具体实现如下:

① +12V 转+8V

采用的是 LM7808，这是一款三端集成的稳压电路，能够准确的降压到+8V，输入要保证为 12V 直流电源，保证输入比输出稳压值 8V 高出一定压差，即可实现 8V稳压，设计时需要注意电流不要超载。在具体设计时，电路两端的电容作用都为滤波，用来平滑电压与提高抗干扰能力。其中输出端可并联 220HF/25V 的电解电容，其白谐频率小，能够起到储能滤波的功能，消除低频干扰。但是由于大电容的电解电容自身存在一定的电感，对于高频信号以及脉冲干扰信号无法有效滤除，因此，设计中一般会并联一个或几个容值比较小的陶瓷电容，以达到滤除高频干扰信号的作用，对应的设计如图 3-3 所示。

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② +12V 转-8V

采用 NE555 芯片，这是一款将模拟功能和逻辑功能很好地结合在一起的芯片，该款芯片为8脚集成电路，大约在1971年由 Signetics 公司发布，在当时是唯一非常快速且商业化的芯片,在之后的 40 余年中被普遍使用,且延伸出许多的应用电路,后来则是基于 CMOS 技术版本的芯片(如 Motorola 的 MC1455)被大量使用，但原规格的NE555 依然正常供应，尽管新版 IC在功能上有部分改善，但其脚位功能并没变化，所以到目前都可直接的代用应用的范围十分广泛，其实现的典型电源转换电路如图 3-4所示。

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在其设计中，当 NE555 的第三脚输出高电平，通过 D1 向 C1 充电，电压可达 11V。当 NE555 输出为低电平时，D1 被 C2 反偏截止。C2 向 C3 转移电荷，重复多次后 C3 电压达 8V，相对地线则输出视为-8V。

③ +12V 转+5V

采用的是开关型集成稳压芯片 LM2596，它内含固定频率振荡器以及基准稳压器，并具备完善的保护电路、热关断电路、电流限制等。LM2596 是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器,能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。使用 LM2596 进行+12V 转+5V 的典型电路图如图 3-5 所示。