本文將深入探討低壓差(LDO)穩壓器、降壓、升壓、降壓-升壓和單輸入多輸出(SIMO)等電源拓撲在實際使用中需要考慮哪些因素，並評估其應用、重要性、優點和缺點。評估的主要目的，在於透過提供實用的見解，以協助工程師在設計過程中做出明智的決策。
核心電壓穩定的重要性
在深入研究電源拓撲的細節之前，必須瞭解維持處理器和微控制器核心電壓穩定的重要性。
·性能：穩定的核心電壓可確保元件性能一致且可靠，防止發生意外崩潰、故障或不穩定行為。
·電源效率：實現良好調節的核心電壓可充分降低電力損耗，進而提升系統的整體能效。
·使用壽命長：電壓波動會導致元件過早磨損，縮短其使用壽命。
·電磁相容性(EMC)：穩定的核心電壓有助於減少電磁干擾(EMI)，進而滿足EMC標準要求，這對於醫療設備和航空航太系統等敏感應用非常重要。
·抗擾度：適當的電壓調節可以保護元件免受外部電雜訊的影響，增強其在高雜訊環境中的可靠性。
常見電源拓撲
微處理器和微控制器常用的電源拓撲包括線性穩壓器和開關模式電源(SMPS)。降壓、升壓、降壓-升壓轉換器和SIMO轉換器都屬於SMPS。每種拓撲都有其優點和缺點。以下將深入探討這些拓撲以方便讀者進行全面瞭解。
線性穩壓器
線性穩壓器是簡單易用、高性價比的解決方案，適合低功耗應用。無論輸入電壓如何變化，都能提供恆定的輸出電壓，多餘的電壓以熱量的形式耗散。然而，由於功耗原因，其在大電流應用中效率低下。圖1顯示了一個線性穩壓器。
使用LDO穩壓器進行設計時，有很多因素需要考慮。表1列出了其優點和缺點。
開關模式電源(SMPS)
MPS由於其高效率而成為微處理器和微控制器常用的拓撲結構。SMPS透過快速開關功率元件(通常是電晶體)，將輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。其能實現精準的電壓調節，充分降低功耗。圖2展示了降壓、升壓和降壓-升壓拓撲。
使用SMPS時，應考慮多方面因素，包括其優點和缺點。表2概述了這些重點。
SMPS的類型
降壓轉換器
降壓轉換器是一種特定類型的SMPS，可將輸入電壓降至較低的輸出電壓。其廣泛用於為微控制器和低功耗微處理器供電。降壓轉換器的工作原理是開關元件(通常為電晶體)，將能量儲存在電感和電容中，然後以受控方式將其傳送到輸出端。圖3展示了系統級解決方案中使用的降壓轉換器，其能高效地將高壓軌轉換為3.3V。
選擇降壓轉換器作為電源拓撲時，必須權衡其優缺點。表3總結了這些關鍵考慮因素。
SIMO轉換器
SIMO是一種創新的電源管理技術，可透過單一電感提供多個穩壓輸出。[2]傳統電源管理電路通常需要為每個輸出配備單獨的電感，因此元件數量較多，占用電路板空間較大，且能量損耗也較高。SIMO簡化了設計，讓多個輸出通道共用單一電感，進而提升效率並精減整體尺寸。
採用SIMO轉換器作為電源拓撲時，必須考慮多種因素。表4簡要列出了這種方案的優點和缺點。
升壓轉換器
升壓轉換器是一種將輸入電壓提升至更高輸出電壓的電源拓撲。升壓轉換器在微控制器和微處理器中不太常見，但存在於需要較高核心電壓的應用中。在圖4中，升壓轉換器用於提供高壓精密放大器的24V輸出軌。
選擇升壓轉換器作為電源拓撲時，必須考慮若干因素。表5清楚概述了此種方案的優點和缺點。
降壓-升壓轉換器
降壓-升壓轉換器兼具降壓轉換器和升壓轉換器的功能，可以降低或升高輸入電壓以提供穩定的輸出電壓。此種彈性使其成為電壓需求多變的應用場景的理想選擇。例如，在圖5中，降壓-升壓轉換器用於調節電池堆的輸出電壓，該電池堆的輸入電壓可能變化不定。當電池堆處於放電模式時，輸入電壓大約為4.5~5V，而當電池堆處於充電模式時，電芯電壓可能會降至1.5~2.7V。因此，此類應用需要降壓-升壓轉換器，表6簡要總結了此種方案的優點和缺點。
選擇拓撲時需考慮的因素
能否為微處理器或微控制器正確選擇電源拓撲，取決於多種因素。以下是一些重要考慮因素：
·電源效率：確定裝置的電源要求，選擇高效的拓撲以盡可能減少能耗和發熱。
·輸入電壓範圍：考慮在裝置工作環境中可能存在的輸入電壓範圍。確保所選的拓撲能夠適應此類變化。
·輸出電壓：確定微處理器或微控制器所需的核心電壓。某些拓撲結構(如降壓-升壓轉換器)在此方面更加彈性。
·尺寸和重量限制：如果應用有空間或重量限制，應選擇能夠提供精巧型、羽量級解決方案的拓撲。
·成本：評估專案的成本約束。對於低功耗應用，線性穩壓器可能是高性價比選擇，但對於更高功率要求，SMPS解決方案可能更具成本效益。
·EMC考量：如果應用需要符合EMC標準，應確保所選拓撲可以透過適當的布局和濾波來滿足這些要求。
·瞬態響應：考慮電源的瞬態響應。微處理器和微控制器往往會經歷負載突變，具有快速穩定回應的拓撲對於防止電壓下降或過沖非常重要。
·可靠性：評估應用的可靠性要求。某些拓撲(如線性穩壓器)具有較少的元件，在某些場景中可能更可靠。
·環境條件：考慮裝置的工作環境。對於電池供電的應用而言，能效非常重要，而對於工業應用，穩健性和抗擾度可能更為關鍵。
實用的建置技巧
選擇合適的電源拓撲後，借助以下一些實用技巧可成功建置：
·元件選擇：選擇高品質的元件，包括電感、電容和電晶體，以確保系統穩定可靠地運行。
·布局和布線：仔細規劃PCB上電源電路的布局和布線。儘量減小迴路面積，並使用適當的接地技術，以降低雜訊並改善EMC性能。
·濾波：根據需要增加輸入和輸出濾波器，以抑制EMI並確保輸出電壓乾淨穩定。
·保護：進行過壓、欠壓和過流保護機制，以保護微處理器或微控制器免受損壞。
·測試和特性表徵：在各種工作條件下對電源電路進行全面測試和特性表徵，確保其符合所需的性能規格。
·散熱管理：如果設計涉及功耗，應考慮增加散熱器或散熱管理解決方案以防止過熱。
確保裝置可靠高效地運行
為微處理器或微控制器選擇正確的電源拓撲，是設計過程中的重要一步。每種拓撲都有各自的優點和缺點，選擇何種拓撲應根據應用的具體要求決定。為了做出明智的選擇以確保裝置可靠高效地運行，應考慮電源效率、輸入電壓範圍和輸出電壓穩定性等因素。
但必須注意的是，建置階段同樣重要。正確的元件選擇、謹慎的布局布線和全面的測試，對於充分發揮所選電源拓撲的潛力非常重要。重視這些細節能夠讓微處理器和微控制器獲得高效的供電，在各種應用中實現更好的性能。
(本文作者皆任職於ADI)
參考資料
[1]“An Introduction to Switch-Mode Power Supplies”。ADI，第61卷，2007年9月。
[2] Cary Delano和Gaurav Mital。“SIMO Switching Regulators:Extending Battery Life for Hearables and Wearables”。ADI，2017年11月。
