Application Note AN014 – May 2014 在工业场合为 MCU 供电 Powering Microcontrollers from Industrial Supply Rails 摘要 像 8051、Cortex M0 和 PIC16 这样的 MCU 被广泛地使用在很多电子设备中，为这些器件供电常常看起来是非常简单的事情。但 在工业环境或是其它使用较高电压供电的场合，要为这些器件提供简单的 3.3V 或是 5V 的小电流供应就有许多方法可供选择，效 率、输出电压纹波、封装和成本等都是选型时要考虑的重要因素。本文为在 24V 工业环境下为这些器件供电提供了一些参考方案。 Contents 一、 概述 .....................................................................................................................................................2 二、 使用线性稳压器降低电压技術 ...............................................................................................................2 三、 使用开关型稳压器 RT6200 降低电压術 .................................................................................................3 四、总结 .......................................................................................................................................................6 AN014 © 2014 Richtek Technology Corporation 1 工业场合为 MCU 供电 一、 概述 有许多应用使用小型 MCU 完成输入、输出控制和通讯过程，这些 MCU 通常需要 3.3V 或是 5V 的电源供应，电流一般只需要 5mA~50mA，具体数值常常取决于具体的外设需要。要为这些应用选择正确的电源管理架构，设计师通常需要综合考虑效率、输 出电压纹波、封装和成本等因素。 二、 使用线性稳压器降低电压 降压的最简单方法是使用线性稳压器。在很多情况下，假如电流很小、效率又不重要的话，这是一个很好的解决方案。但当输入、 输出电压差增大时，尤其是在遇到负载电流稍微加大的状况时，稳压器的功率损耗就可能变成一个敏感问题。在工业场合下，输入 电压的波动随时都可能发生，所以稳压器的容许输入电压范围必须足够大以便能够承受这种波动。 下表列出立锜科技的一部分可用于 24V 环境下为 MCU 供电的线性稳压器，其中列出的最大平均电流数据是由相应封装的热限制所 决定的，最大功耗是在普通 PCB 布局、接地焊盘比器件引脚本身稍大、环境温度为 60°C 时器件能够承受的数值。表中列出来的 型号都是 3.3V 的，这是最常用的，但其他电压值的状况与此类似。 型号 RT9058-33GV RT9058-33GX RT9069-33GB RT9069-33GX5 RT9069-33GSP RT9068-33GG RT9068GFPRT9068-33GFP RT9068GSPRT9068-33GSP AN014 主要特点 2μA 静态电流，固定输出电压， 无使能端 2μA 静态电流，固定输出电压， 无使能端 2μA 静态电流，固定输出电压， 含使能端 2μA 静态电流，固定输出电压， 含使能端 2μA 静态电流，固定输出电压， 含使能端 30μA 静态电流，固定输出电压， 无使能端 30μA 静态电流，固定或可调输出 电压，含使能端 30μA 静态电流，固定或可调输出 电压，含使能端 输入电压 范围 封装 最大功耗 (TA = 60°C) 24V 输入时 的最大平均 电流 3.5 to 36V SOT23-3 ~ 0.25W 12mA 3.5 to 36V SOT89 ~ 0.5W 24mA 3.5 to 36V SOT23-5 ~ 0.3W 14mA 3.5 to 36V SOT89-5 ~ 0.55W 26mA 3.5 to 36V PSOP-8 ~ 0.8W 38mA 4.5 to 60V SOT223 ~ 0.7W 33mA 4.5 to 60V MSOP-8 ~ 0.75W 33mA 4.5 to 60V PSOP-8 ~ 0.8W 38mA © 2014 Richtek Technology Corporation 2 工业场合为 MCU 供电 图 1 示范了部分型号的应用电路图，从中可以看出线性稳压器的电路是极其简单的，通常仅使用 1μF 的 MLCC 作为输入、输出电 容即可确保其稳定工作。 图1 RT9058 和 RT9069 有一个特别的好处，就是当负载很小时稳压器自身的消耗几乎为 0，其静态电流仅仅只有 2μA。 三、 使用开关型稳压器 RT6200 降低电压 为了获得较高的电压转换效率，某些情况下必须考虑使用开关型降压转换器。因为是为微型的 MCU 供电，负载电流很小，转换器 的开关损耗在总的转换损耗中要比开关的导通损耗扮演更重要的角色，可它又是必然存在的东西，所以降低开关工作频率成为主要 的选择，但由于要以突发模式工作的缘故，由此导致的较高输出电压纹波是必然的结果。 RT6200GE 是一款低电流、非同步 Buck 架构降压转换器，可以工作在 36V 电压下，其工作频率为 1.2MHz，使用 SOT-23-6 的小 型封装，图 2 显示了它的内部电路框图和应用电路图。由于其较高的工作频率，使用相对较小的电感和输出电容成为可能，输出纹 波也会比较小。 图2 AN014 © 2014 Richtek Technology Corporation 3 工业场合为 MCU 供电 在轻负载操作时，RT6200GE 工作在电流不连续模式，其上桥 MOSFET 将根据需要偶尔跳过一些脉冲以保证输出电压处于稳定状 态。IC 内部嵌入了一个下桥 MOSFET 用于适时地为自举电容充电。由于负载电流不大，外部肖特基二极管可以选用电流较小的型 号，同样是因为电流不大，二极管的正向压降会比较小，而开关速度也会很快，这使得在整个输入电压和输出电压范围内都能取得 很高的转换效率。 下面的图 3 显示了一个在 24V 输入电压下获得稳定的 3.3V 输出电压的完整电路图。 图3 图中的元件参数是按照输出电流能力为 0.5A 所做的选择，在此条件下，转换器工作在 1.2MHz 的电流连续模式下。 Buck 电路中电感电流纹波的计算公式是: 纹波大小一般被设定为最大电流的 0.4 倍，即 0.4*Imax。在此低负载电流的设计中，我们仍然建议将电流纹波保持在器件最大电 流的 0.4 倍，一个 10μH 的电感将导致 238mApp 的电流纹波，这意味着转换器将在负载电流低于 119mA 时进入电流不连续模式。 在轻载状态下，即低于 75mA 的负载电流时，转换器将进入脉冲省略模式（Pulse Skipping Mode），但电流峰值仍然维持在 200mA 左右。 此设计中选用的电感是 4mm x 4mm x 1.2mm 的大小，饱和电流值是 700mA。如果负载电流总是低于 100mA，则可以选择使用体 积更小的饱和电流参数为 350mA 左右的型号。 输出电容对输出纹波的表现有决定性的影响。10μF/16V、0805 封装的 MLCC 在 3.3V 电压下的有效电容量大约为 7.7μF，在脉冲 省略模式下，输出电压纹波将增加到 22mVpp。 AN014 © 2014 Richtek Technology Corporation 4 工业场合为 MCU 供电 RT6200GE 采用内部补偿电路，但因为其误差放大器基本上和普通运算放大器差不多，转换器的带宽可以通过调整反馈电路的电 阻 R1 来进行调整。在使用 10μF 输出电容的情况下，针对典型应用的补偿电路增益(400kΩ/R1)通常被设定为 12dB，由此导致的 带宽约为 70kHz。当使用较小的输出电容时，转换器带宽将会增加。为了保持最大的相位裕量，R1 的值就应该增大。为了让设计 不至于对噪声太敏感，转换器的带宽不得不被轻微下调至 55kHz，而其相位裕量为 58°。 RT6200GE 的 EN 端是芯片的使能端，它是高电平有效的。当需要它自动启动时，将该端子悬空即可，内部电路确保它自动处于高 电平状态。 负载电流为 10mA 和 20mA 情况下的输出电压纹波波形、开关电压波形和电感电流波形被显示在下面的图 4 中，转换器在两种情 况下都工作在脉冲省略模式。内置的下桥 MOSFET 在每个固定的时钟周期中都会短时导通一下以便为自举电容充电，这是导致我 们能在开关电压波形上看到额外的振荡脉冲的原因。 图4 图 5 显示了这一应用的效率曲线，在 50mA 负载时，效率大约为 60%。 图5 AN014 © 2014 Richtek Technology Corporation 5 工业场合为 MCU 供电 图 6 是整个设计的一个 PCB 设计示例。所有的功率元件被放置在左上角，IC 下面还有几个过孔将大电流引导至地线层。反馈引脚 对噪声比较敏感，所以 R1/R2 被放置在靠近 IC 引脚的地方，为的是远离噪声信号。这个布局占用的面积是 9mm x 9mm。 图6 四、总结 在本文中，我们描述了两种在 24V 工业应用环境下为 MCU 供电的方法。像 RT9058、RT9069 和 RT9068 这样的线性稳压器可以 被使用在最大 38mA 负载的情况下，具体数值决定于不同的封装选择。为了取得更好的效率和获得更大的电流供应，可以考虑采用 开关型稳压器，例如 RT6200。立锜科技将在未来的几个月内发布更多的高电压、低电流型开关稳压器，此应用说明也将适时地进 行更新以反映相关的状况，敬请关注。 AN014 © 2014 Richtek Technology Corporation 6 工业场合为 MCU 供电 相关产品 RT6200 0.6A, 36V, 1.2MHz Step-Down Converter Datasheet RT9058 36V, 2μA IQ, 100mA Low Dropout Voltage Linear Regulator Datasheet RT9068 60V, 30μA IQ, Low Dropout Voltage Linear Regulator Datasheet 相关资源 立錡科技电子报 订阅立錡科技电子报 档案下载 PDF 下載 Richtek Technology Corporation st 14F, No. 8, Tai Yuen 1 Street, Chupei City Hsinchu, Taiwan, R.O.C. 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