应用笔记 3741

用于低压系统的模拟IC

By: Roger Griswold

摘要 : 这篇关于低压IC的文章讨论了多种型号的低压IC,其中包括:电压调节器、数据转换器、运算放大器、电流监测器、比较器、微处理器监控电路、电压基准、模拟开关以及数据收发器。此外,本文还讨论了关于省电以及低压系统管理的相关信息。

引言

低压器件大多用于对尺寸、重量、功耗要求苛刻的场合,例如:PDA、手机及其它电池供电的便携设备。低压器件同样也适合交流电供电设备,因为低电压带来的低功耗允许设备使用更小的电源、散热器和风扇。

Maxim的产品线涵盖了许多低压IC,包括:运算放大器、比较器、微处理器监控电路、接口、数据转换器、模拟开关和复用器、电压基准、DC-DC转换器、数字电位器以及实时时钟等时钟芯片。

本文涉及上述多个模拟IC产品线的器件,能够从根本上降低工作电流,以下讨论了与低压工作相关的问题,提供了从5V电源产生更低电压的方案。表1给出了Maxim的1.8V、2.5V、3.0V和3.3V供电IC的选型表。

表1. Maxim低压器件选型表
Category 1.8V 2.5V 3V 3.3V
µP Supervisors MAX6326 MAX6742 MAX6745 MAX6745
A/D Converters MAX1122 MAX1462 MAX1115 MAX1144
Analog Switches MAX4695 MAX4644 MAX4653 MAX4592
Charge-Pump Voltage Converters
MAX619 MAX1673 MAX1730
Inductor-Based, Step-Up Regulators MAX1687 MAX1706 MAX1678 MAX1709
Inductor-Based, Step-Down Regulators MAX1928 MAX1928 MAX1921 MAX1921
Comparators, Fast LMX331 MAX997 MAX997 MAX997
Comparators, Low Current MAX9020 MAX9020 MAX9020 MAX9020
Comparators, Low Offset MAX966 MAX997 MAX997 MAX997
D/A Converters MAX5522 MAX5523 MAX5811 MAX5355
Digital Pots
DS4301 MAX5408 MAX5408
Linear Regulators MAX1589 MAX1818 MAX1589 MAX1818
Multiplexers MAX4638 MAX4638 MAX4639 MAX4701
Op Amps, Fast MAX4291 MAX410 MAX4489 MAX4489
Op Amps, Low Current MAX4036 MAX4036 MAX4036 MAX4036
Op Amps, Low Offset MAX480 MAX4236A MAX4238 MAX4238
Real-Time Clocks DS1375 DS1375 DS1375 DS1375
References MAX6018A MAX6029 MAX6029 MAX6029
RS-232 MAX218 MAX3381E MAX3322E MAX3232E
RS-485
MAX3471 MAX3471 MAX3076E
USB MAX3453 MAX3453 MAX3453 MAX3453

低压工作降低功耗

将系统电源从5V降至一个更低电压可以大大节省系统功耗。对于阻性和容性负载,所节省的功耗与电压的平方成正比;对于恒流负载,例如基准、运算放大器,所节省的功耗与电压成线性比例;对于恒功率负载,例如:硬盘,降低电源电压不会节省功耗,但它要求器件工作在更低的输入电压。表2归纳了低压系统与5V供电系统的功率对照。

表2. 低压系统与5V供电系统的功率对照
Load Type Power-Savings
Formula
Power Savings Compared to 5V (%)
1.8V
Operation
2.5V
Operation
3V
Operation
3.3V
Operation
Resistive (1 - (V / 5)²) x 100 87 75 64 56
Capacitive (1 - (V / 5)²) x 100 87 75 64 56
Constant Current (V / 5) x 100 64 50 40 34

稳压源

关于电压调节器的一般信息

Maxim提供多种稳压器,能够产生低电源电压或者将一个低压转换到另一低压,其中包括:低压差线性稳压器、开关电容电荷泵转换器和基于电感的开关电源。

低压差线性稳压器(LDO)使用简单,要求输入电压高于输出电压,能够提供最高4A的输出电流。LDO具有极低噪声,价格低于开关电源。但是,如果输入电压上升,这些器件会消耗更大功率(产生更多热量)。当然,在输入电压和输出电压差别不大的场合,线性稳压器可以提供较高效率(效率正比于VOUT/VIN)。

电荷泵能够将一个直流电压提升到更高水平,或对输入电压进行反相。它通过电容储存能量,提供小尺寸、低成本的DC-DC转换电路。然而,这类器件的输出电流通常低于0.75A,仅限于低功率场合应用。

基于电感的开关调节器能够支持低功率和大功率的DC-DC转换,既可以升压(boost),也可以降压(buck)。Maxim的boost转换器能够提供高达4A的输出电流,buck转换器可以提供高达60A的输出电流。

低压差线性稳压器

线性稳压器要求输入电压高于输出电压。所需要的输入电压与输出电压的最小差值称为压差。新型线性稳压器比早期的线性稳压器(如LM7905)具有更低压差,因此,称其为低压差线性稳压器或LDO。Maxim提供众多类型的LDO,正压输出可低至0.75V (预置电压),也可以调节到0.5V。另外,我们还提供负压输出的LDO,输出电压范围为-2.5V至-5V。

利用LDO实现低压转换既经济又简单,MAX1589 LDO系列产品使用简单,提供0.75V至3.0V的预置输出电压,500mA满载输出条件下,压差低至0.175V。MAX1818 LDO系列产品同样提供1.5V至5.0V的预置输出电压,输出电流可达500mA,输出电压可以调节到最低1.25V,500mA满载输出条件下,压差可以低至0.12V。

图1. MAX1589 500mA LDO提供0.75V、1.0V、1.3V、1.5V、2.5V和3.0V预置输出电压;MAX1818 500mA LDO提供1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.3V和5.0V预置输出电压,可调节输出电压范围为1.25V至5V。
图1. MAX1589 500mA LDO提供0.75V、1.0V、1.3V、1.5V、2.5V和3.0V预置输出电压;MAX1818 500mA LDO提供1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.3V和5.0V预置输出电压,可调节输出电压范围为1.25V至5V。

MAX8510 LDO系列产品集成了便携设备所要求的一些重要功能:小尺寸(SC70)、低压差(在120mA时为120mV)、低电源电流(90µA,最大值)。MAX8510/MAX8511可以提供多种预置输出电压,输出范围为1.5V至4.5V;MAX8512的输出电压可以通过外部电阻调节。

电荷泵电压转换器

对于低电流应用,将3V电压转换到5V输出最简单的方案是基于电容的电荷泵(图2)。工业标准的7660和大多数其它型号的电荷泵不能提供稳压输出VOUT,而MAX619内置模拟基准和误差放大器,该误差放大器输出控制一组连接至外部电容的内部开关。开关电容网络可以实现VIN的倍压或三倍压,MAX619通过切换不同的工作模式,最终获得稳定的输出电压。以下电路能够在2V至3.6V输入下产生5V ±4%的输出电压,电流可达20mA。对于3.0V至3.6V输入,输出电流可以达到50mA。

图2. 仅占用不到0.1in2的电路板尺寸,MAX619稳压型电荷泵转换器能够从2V至3.6V输入产生5V ±4%输出,电流可达20mA;3V至3.6V输入时,电流可达50mA。
图2. 仅占用不到0.1in²的电路板尺寸,MAX619稳压型电荷泵转换器能够从2V至3.6V输入产生5V ±4%输出,电流可达20mA;3V至3.6V输入时,电流可达50mA。

MAX5008是稳压型5V USB电荷泵,可以从低至2.9V的输入电压提供高达125mA的输出电流,非常适合3.0V或3.3V供电的USB主设备。

处理双极性信号的系统通常需要一路负压供电,必要时可以使用本地供电,MAX889等电荷泵反相器是一种便捷的选择。

基于电感的开关调节器

开关调节器提供单路或多路输出,可以采用脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度调制(PWM),也可以同时采用这两种工作模式,具体取决于对输出功率的要求。PFM控制机制在轻载下可以获得较高效率,静态电流可低至10µA。PWM架构功耗较大,但其固定频率工作方式有助于降低噪声和EMI。有些转换器可以根据控制信号或负载电流的大小在这两种控制方式之间切换工作模式。

LDO在较低压差(VIN - VOUT)应用场合能够获得较高效率,但在多数应用中,输入电压明显高于输出电压。这种情况下,需要使用降压型开关调节器。收音机、手机等RF应用中,可以选择开关电源,但须注意避免在敏感的IF频段引入干扰噪声。

对于RF应用,一个理想的选择是MAX1684开关调节器。这款器件能够从4V至12V输入产生3.3V、1A输出,效率可达97%。内置300kHz振荡器和MOSFET,简单易用。

为了满足低电压、低功耗IC的需求,可以选择高效的buck调节器升级现有的逻辑板。这些电路板通常提供3.3V电源,但需要1.8V电源为新的低压逻辑电路供电。利用线性稳压器可以方便地把3.3V电压转换成1.8V,但当负载电流较大时会消耗较大功率,这在许多应用中是无法接受的。例如,需要2A输出电流时,线性稳压器的功耗将达到3W,需要加装散热片。此时,MAX1830高效率开关电源(图3)能够以大于90%的效率提供20mA至2A的输出电流,无需外部MOSFET,也不需要散热片。

图3. MAX1830开关调节器以高于90%的效率将3.3V电源转换成1.8V,输出电流范围为20mA至2A,无需外部MOSFET。
图3. MAX1830开关调节器以高于90%的效率将3.3V电源转换成1.8V,输出电流范围为20mA至2A,无需外部MOSFET。

MAX1830采用微小的16引脚QSOP封装,输入电压范围为3V至5.5V。其静态工作电流为325µA,待机模式下只有0.2µA。较高的开关频率(高达1MHz)允许外部使用小尺寸、低成本的表贴元件。

多输出开关调节器用于多电源供电系统,例如,在笔记本电脑中产生VCC,可以使用MAX1999,能够产生四路稳压输出(图4)。

图4. MAX1999开关调节器产生四路输出电压,其中包括两路高效率的大功率开关调节器和两个低功率LDO。它还包含电源就绪输出、关断控制、限流以及引脚可编程的上电顺序等功能。
图4. MAX1999开关调节器产生四路输出电压,其中包括两路高效率的大功率开关调节器和两个低功率LDO。它还包含电源就绪输出、关断控制、限流以及引脚可编程的上电顺序等功能。

数据转换器

A/D转换器

在便携设备中,低功耗对于A/D转换器(ADC)来说非常重要。这些应用通常要求高速转换,而高速与低功耗在系统设计中是相互矛盾的两个因素。针对这类需求,Maxim开发了一系列能够在采样期间保持合理的电流损耗,而在关断期间具有极低电流损耗的ADC。从而使转换器不必连续工作,节省系统功耗。

例如,MAX1115能够每秒钟转换100k次采样。工作在+3V时仅消耗175µA电流;自动关断模式下仅消耗1µA电流。这样,MAX1115能够在间断性采样的应用中节省大量功耗(图5)。

图5. 通过在两次数据转换之间进入1µA低功耗关断模式,MAX1115 8位ADC能够大大降低电源电流。
图5. 通过在两次数据转换之间进入1µA低功耗关断模式,MAX1115 8位ADC能够大大降低电源电流。

手机中的信号强度测量(RSSI:接收信号强度测量)是这类应用的一个典型案例,MAX1115以2ksps的速率量化信号,仅从3V电源消耗2µA电流。整体系统误差(失调、积分非线性、增益误差之和)小于1 LSB,SINAD (信号与噪声 + 失真比)低于48dB。

D/A转换器

新型D/A转换器(DAC)使得低压数字系统能够产生模拟输出。便携应用中,要求这些IC具有极低功耗并占用极小的电路板空间。例如,低成本的MAX5811即为一个10位、电压输出的DAC,工作电流只有170µA,关断模式下电流低至1µA,非常适合便携式应用。串行数据控制允许其集成到SOT23封装内。

MAX5811采用2.7V单电源供电,提供满摆幅输出。非常适合失调电压调整、设置偏置点调节电流(或电压)等低成本应用,也可以在其它电路中设置稳压输出。

运算放大器和电流监测器

运算放大器中,降低供电电压会减小输出电压摆幅,进而降低信噪比(SNR)。考虑到这一因素,很多低压运放为了保持较高的SNR,通常需要提供满摆幅输出。同样,许多运放还具有满摆幅输入电压范围(可以达到单电源或双电源摆幅)。

低压工作不仅降低了信号范围,噪底的提升也使SNR指标更加受限。低压放大器设计要求消耗极低的电流,这会造成更大的放大器噪声。此外,由于使用大阻值反馈电阻(限制系统的电源电流),也会增大噪声。

在更加复杂的情况下,高阻抗节点很容易通过耦合电容从高速数字信号拾取噪声。因此,高阻引线应尽可能短,并使其远离高速数字信号线。

值得注意的是,低压运放存在一些相互排斥的特性,包括低电源电流、低失调电压和高速。例如,MAX4236A +3V供电系列产品具有1.7MHz的增益带宽积、20µV的失调电压和350µA的电源电流。输入共模电压范围可以达到负压,且满摆幅输出。这些特性使MAX4236A系列运算放大器非常适合在低压、电池供电产品中用作仪表放大器。

Maxim的运算放大器产品线还提供双向、高边电流检测放大器,例如:工作电压为+2.7V的MAX4069系列(图6)。这些电流检测放大器采用高边检流电阻,从而避免了接地问题,芯片采用8/10引脚µMAX®封装。

图6. MAX4070双向检流放大器构成完备的电流至电压转换器
图6. MAX4070双向检流放大器构成完备的电流至电压转换器。

便携产品设计中需要节约每一微安的电流,一些低电压微功耗运算放大器能够显著降低电源电流。+1.4V供电的MAX4036/MAX4038和+1.8V供电的MAX4474运算放大器具有1.2µA (最大值)的极低功耗。提供满摆幅输出,输入范围可扩展至负压。

当运算放大器工作在低压电源时,输入共模电压范围和输出电压摆幅受到极大制约。设计低压电路时必需注意这些输入和输出限制,表3列出了以上讨论运算放大器的一些数据。

表3. Maxim部分低压运算放大器参数选型表
Part Supply Voltage
Range (V)
Supply Current
(µA, typ/max)
Input Common-Mode
Voltage Range (V)
Output-Voltage
Swing (V, typ)
MAX4036/MAX4038 1.4 to 3.6 0.8/1.2 VSS to (VDD - 0.4) (VSS + 0.002)
to (VDD - 0.002)
MAX4069 2.7 to 24 100/250 1.35 to 24 (VSS + 0.1)
to (VDD - 0.09)
MAX4070 3.6 to 24 100/250 1.35 to 24 (VSS + 0.1)
to (VDD - 0.09)
MAX4236A 2.4 to 5.5 350/440 -0.15 to (VCC - 1.2) (VEE + 0.05)
to (VCC - 0.15)
MAX4474 1.8 to 5.5 0.75/1.2 VSS to (VDD - 1.1) (VSS + 0.001)
to (VDD - 0.004)

比较器

与低压运算放大器一样,低压比较器需要针对高速、低电源电流和低失调电压进行优化。例如,MAX9100微功耗比较器能够工作在1V至5.5V电源范围,仅消耗12µA (最大值)的电源电流。该器件具有3.7ms的传输延时、2mV失调,输出摆幅可以达到电源电压的0.3V以内,共模范围可以扩展到负压。

有些应用需要监测电源的输出电压,要求超低功耗。MAX9017A采用1.8V至5.5V电源供电,仅消耗1.2µA (典型值)电源电流,在单一芯片内集成了一个电压基准和一个比较器。

微处理器监控电路

任何微处理器(µP)系统都需要“监控”管理,以避免出现意想不到的操作。监控电路可以是一个简单的复位发生器,确保上电后通过复位信号使系统在已知条件下启动。当然,许多监控电路还包含了其它功能,例如:备份电池管理、存储器写保护、用于监测软件运行的“看门狗”定时器等。

备份电池能够在VCC掉电时为一些关键电路(CMOS存储器、实时时钟等)供电,维持这些器件的正常工作。通过监测VCC,µP监控电路决定何时将系统切换到备份电池供电。低压工作时,还会出现一些5V系统不存在的工程问题。

对于5V系统,只是简单地比较VCC和备份电池的电压,一旦VCC低于电池电压,则将系统切换到备份电池供电。但在低压系统中,这样的操作可能会导致开关失效:备份锂电池的电压通常在3.6V左右,高于3.3V系统中VCC的3.0V下限。Maxim的监控电路允许备份电池电压高于VCC,只有当VCC跌落到所设置的门限时才会切换到电池供电,从而解决了这一问题。

MAX823/MAX824提供电压监测和看门狗定时器,采用5引脚SC70和SOT23封装(图7)。

图7. MAX823提供电源电压监测、看门狗、手动复位功能,采用5引脚SC70/SOT23封装。
图7. MAX823提供电源电压监测、看门狗、手动复位功能,采用5引脚SC70/SOT23封装。

MAX806R/S/T包括电池切换电路,能够监测3V和5V VCC双电源供电系统(图8)。该电路中,主VCC比较器用于监测3V电源,电源失效比较器(PFI)用于监测5V电源。

图8. 配置如图所示,该µP监控电路用于监测双电压系统的5V和3V VCC。
图8. 配置如图所示,该µP监控电路用于监测双电压系统的5V和3V VCC

当3V VCC超出容限时,内部电路发出复位信号。5V VCC触发门限(4.527V至4.726V)采用精度为0.1%的电阻设置;当5V电压跌落到门限以下时,电源失效比较器输出(PFO)拉低手动复位输入(MR)。因此,任何超出容限的VCC都会导致器件复位。

有些Maxim的低压监控电路提供片选(CE)功能,用于保护存储器IC。CE片选能够在电源失效时屏蔽存储器的读、写操作,保护存储器的内容。例如,MAX792和MAX820具有CE片选,通过监控电路的传输延时只有10ns (较短的传输延时允许使用低速、廉价的存储器,因为CE延时占用极短的存储周期)。这些器件还提供手动复位、上电复位、电源失效报警、看门狗定时等功能。

低功耗MAX6741能够监测两路系统电压,仅消耗6µA的电源电流(图9),该系列的监控电路均可提供推挽式输出或漏极开路输出,采用微型SC70封装,检测电压可低至0.488V。

图9. MAX6741监测两路电压,任何一路电压跌落到门限以下时将产生复位信号。
图9. MAX6741监测两路电压,任何一路电压跌落到门限以下时将产生复位信号。

电压基准

对于高精度、低电源电流的低压应用,三端带隙基准是最佳选择。与两端齐纳二极管基准相比,三端基准通常具有更低的电源电流(图10)。

图10. 三端电压基准,与两端基准不同,电流损耗随着输入电压的变化而变化。
图10. 三端电压基准,与两端基准不同,电流损耗随着输入电压的变化而变化。

为了保持最高SNR,输出电压应尽可能高,输入与输出之间的压差应尽可能小。例如,当一个2.5V基准由3V ±10%的电源供电时,最好提供至少200mV的裕量。MAX6029高精度、2.5V基准能够满足这一苛刻要求。它可以接受高达12V的输入,仅消耗的5µA电源电流。

MAX6029能够源出4mA、吸收1mA的电流,保证0.7µV/µA (源出)和5.5µV/µA (吸入)的负载调整率。温漂为30ppm/°C,在2.5V至12.6V输入范围内保证27µV/V (典型值)的电源调整率。

模拟开关

最近几年,低压模拟开关的精度有了显著提高,MAX4651/MAX4652/MAX4653四通道、4Ω、单刀/单掷(SPST)模拟开关采用1.8V至5.5V单电源供电。正如所预期的那样,与高压供电相比,低压工作会造成导通电阻增大,开关速度将低(图11)。

图11. MAX4653模拟开关的导通电阻和开关时间
图11. MAX4653模拟开关的导通电阻和开关时间。

接口收发器

USB

通用串行总线(USB)在计算机和外设中非常通用,总线电压为5V,许多信号需要连接到更低电压的系统。Maxim器件能够轻松连接低压逻辑和USB电平,处理各种USB接口控制信号。MAX3453能够将USB 1.1/2.0连接到1.65V至3.6V逻辑电平,电源电压可低至3.1V,非常适合锂电池供电系统的逻辑信号。图12给出了低压逻辑与USB的一个典型连接,通过MAX3453实现。

图12. MAX3453 USB收发器能够连接低压逻辑和5V USB总线,完全兼容于USB 1.1/2.0,可支持12Mbps和1.5Mbps速率。
图12. MAX3453 USB收发器能够连接低压逻辑和5V USB总线,完全兼容于USB 1.1/2.0,可支持12Mbps和1.5Mbps速率。

RS-232和RS-485

RS-232也称为232E (正式名称为EIA/TIA-232-E),常见于大型主机和微计算机,当时设备普遍采用±12V供电,最初的RS-232收发器同样需要±12V供电。由于压差的存在,输出电压摆幅可能降至±9V,最低电压为±5V。

便携产品和低压设备沿用了新的串口规范,替代传统的232E、EIA/TIA-562 (简称为562)标准。新标准于1991年生效,562和232E标准电气兼容,即新的562设计兼容于现有的232E设备,反之亦然。无论是否采用新标准,通常用RS-232表示两种标准的任何一种,这已经是行业内的惯例。

表4给出了232E与562的规格比较,注意,它们具有不同的驱动器输出摆幅(±5V与±3.7V),但接收器输入门限相同(±3V)。562器件±3.7V的最小输出摆幅允许它们与232接收器通信,其输入门限为±3V。当然,此时的噪声容限只有0.7V。相比之下,232驱动器±5V的最小输出摆幅则提供了2V噪声裕量。

表4. 232E与562接口标准比较
Parameter EIA-232E EIA-562
Mode of operation Single ended Single ended
Allowed number of transmitters and receivers per data line 1 Tx, 1 Rx 1 Tx, 1 Rx
Maximum cable length C < 2500pF C < 2500pF for data rates < 20kb/s, C < 1000pF for data rates > 20kb/s
Maximum data rate (kb/s) 20 64
Driver output voltage, loaded (V) minimum
±5 ±3.7
maximum
±15 ±13.2
Maximum driver short-circuit current (mA) 500 60
Transmitter load impedance (kΩ) 3 to 7 3 to 7
Instantaneous slew rate (V/µs) < 30 < 30
Receiver input threshold (sensitivity) (V) ±3 ±3
Receiver input resistance (kΩ) 3 to 7 3 to 7
Receiver input range (V) ±25 ±25

Maxim新推出的RS-232器件内部集成了电荷泵转换器,只需几个外部电容,能够工作在更低的电源电压。许多Maxim的RS-232器件具有自动关断功能,通过RS-232通信信号“唤醒”之前耗电只有1µA。MAX3381E (图13)工作电压可低至2.35V,确保支持250kbps的数据速率,内置±15kV ESD保护。两路接收器在1µA关断模式下保持有效,使得芯片能够在极低功耗下监测外部设备。MAX218 (图中没有画出)能够工作在低至+1.8V的电源电压,内部采用开关模式电源转换器,外部需要一个电感、一个二极管和几个电容。

图13. 该低压接口IC内部集成了电荷泵转换器,能够产生RS-232通信所需要的电压。
图13. 该低压接口IC内部集成了电荷泵转换器,能够产生RS-232通信所需要的电压。