引言

    低壓器件大多用于對尺寸、重量、功耗要求苛刻的場合，例如：PDA、手機(jī)及其它電池供電的便攜設(shè)備。低壓器件同樣也適合交流電供電設(shè)備，因為低電壓帶來的低功耗允許設(shè)備使用更小的電源、散熱器和風(fēng)扇。

    Maxim的產(chǎn)品線涵蓋了許多低壓IC，包括：運(yùn)算放大器、比較器、微處理器監(jiān)控電路、接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)和復(fù)用器、電壓基準(zhǔn)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電位器以及實(shí)時時鐘等時鐘芯片。

     本文涉及上述多個模擬IC產(chǎn)品線的器件，能夠從根本上降低工作電流，以下討論了與低壓工作相關(guān)的問題，提供了從5V電源產(chǎn)生更低電壓的方案。表1給出了Maxim的1.8V、2.5V、3.0V和3.3V供電IC的選型表。

表1. Maxim低壓器件選型表

低壓工作降低功耗

    將系統(tǒng)電源從5V降至一個更低電壓可以大大節(jié)省系統(tǒng)功耗。對于阻性和容性負(fù)載，所節(jié)省的功耗與電壓的平方成正比；對于恒流負(fù)載，例如基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器，所節(jié)省的功耗與電壓成線性比例；對于恒功率負(fù)載，例如：硬盤，降低電源電壓不會節(jié)省功耗，但它要求器件工作在更低的輸入電壓。表2歸納了低壓系統(tǒng)與5V供電系統(tǒng)的功率對照。

表2. 低壓系統(tǒng)與5V供電系統(tǒng)的功率對照

穩(wěn)壓源

關(guān)于電壓調(diào)節(jié)器的一般信息

    Maxim提供多種穩(wěn)壓器，能夠產(chǎn)生低電源電壓或者將一個低壓轉(zhuǎn)換到另一低壓，其中包括：低壓差線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電容電荷泵轉(zhuǎn)換器和基于電感的開關(guān)電源。

    低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)使用簡單，要求輸入電壓高于輸出電壓，能夠提供最高4A的輸出電流。LDO具有極低噪聲，價格低于開關(guān)電源。但是，如果輸入電壓上升，這些器件會消耗更大功率(產(chǎn)生更多熱量)。當(dāng)然，在輸入電壓和輸出電壓差別不大的場合，線性穩(wěn)壓器可以提供較高效率(效率正比于V_OUT/V_IN)。

    電荷泵能夠?qū)⒁粋€直流電壓提升到更高水平，或?qū)斎腚妷哼M(jìn)行反相。它通過電容儲存能量，提供小尺寸、低成本的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。然而，這類器件的輸出電流通常低于0.75A，僅限于低功率場合應(yīng)用。

    基于電感的開關(guān)調(diào)節(jié)器能夠支持低功率和大功率的DC-DC轉(zhuǎn)換，既可以升壓(boost)，也可以降壓(buck)。Maxim的boost轉(zhuǎn)換器能夠提供高達(dá)4A的輸出電流，buck轉(zhuǎn)換器可以提供高達(dá)60A的輸出電流。

低壓差線性穩(wěn)壓器

    線性穩(wěn)壓器要求輸入電壓高于輸出電壓。所需要的輸入電壓與輸出電壓的最小差值稱為壓差。新型線性穩(wěn)壓器比早期的線性穩(wěn)壓器(如LM7905)具有更低壓差，因此，稱其為低壓差線性穩(wěn)壓器或LDO。Maxim提供眾多類型的LDO，正壓輸出可低至0.75V (預(yù)置電壓)，也可以調(diào)節(jié)到0.5V。另外，我們還提供負(fù)壓輸出的LDO，輸出電壓范圍為-2.5V至-5V。

    利用LDO實(shí)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)換既經(jīng)濟(jì)又簡單，MAX1589 LDO系列產(chǎn)品使用簡單，提供0.75V至3.0V的預(yù)置輸出電壓，500mA滿載輸出條件下，壓差低至0.175V。MAX1818 LDO系列產(chǎn)品同樣提供1.5V至5.0V的預(yù)置輸出電壓，輸出電流可達(dá)500mA，輸出電壓可以調(diào)節(jié)到最低1.25V，500mA滿載輸出條件下，壓差可以低至0.12V。

圖1. MAX1589 500mA LDO提供0.75V、1.0V、1.3V、1.5V、2.5V和3.0V預(yù)置輸出電壓；MAX1818 500mA LDO提供1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.3V和5.0V預(yù)置輸出電壓，可調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為1.25V至5V。

    MAX8510 LDO系列產(chǎn)品集成了便攜設(shè)備所要求的一些重要功能：小尺寸(SC70)、低壓差(在120mA時為120mV)、低電源電流(90µA，最大值)。MAX8510/MAX8511可以提供多種預(yù)置輸出電壓，輸出范圍為1.5V至4.5V；MAX8512的輸出電壓可以通過外部電阻調(diào)節(jié)。

電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器

    對于低電流應(yīng)用，將3V電壓轉(zhuǎn)換到5V輸出最簡單的方案是基于電容的電荷泵(圖2)。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的7660和大多數(shù)其它型號的電荷泵不能提供穩(wěn)壓輸出V_OUT，而MAX619內(nèi)置模擬基準(zhǔn)和誤差放大器，該誤差放大器輸出控制一組連接至外部電容的內(nèi)部開關(guān)。開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)V_IN的倍壓或三倍壓，MAX619通過切換不同的工作模式，最終獲得穩(wěn)定的輸出電壓。以下電路能夠在2V至3.6V輸入下產(chǎn)生5V ±4%的輸出電壓，電流可達(dá)20mA。對于3.0V至3.6V輸入，輸出電流可以達(dá)到50mA。


圖2. 僅占用不到0.1in²的電路板尺寸，MAX619穩(wěn)壓型電荷泵轉(zhuǎn)換器能夠從2V至3.6V輸入產(chǎn)生5V ±4%輸出，電流可達(dá)20mA；3V至3.6V輸入時，電流可達(dá)50mA。

    MAX5008是穩(wěn)壓型5V USB電荷泵，可以從低至2.9V的輸入電壓提供高達(dá)125mA的輸出電流，非常適合3.0V或3.3V供電的USB主設(shè)備。

    處理雙極性信號的系統(tǒng)通常需要一路負(fù)壓供電，必要時可以使用本地供電，MAX889等電荷泵反相器是一種便捷的選擇。

基于電感的開關(guān)調(diào)節(jié)器

    開關(guān)調(diào)節(jié)器提供單路或多路輸出，可以采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)，也可以同時采用這兩種工作模式，具體取決于對輸出功率的要求。PFM控制機(jī)制在輕載下可以獲得較高效率，靜態(tài)電流可低至10µA。PWM架構(gòu)功耗較大，但其固定頻率工作方式有助于降低噪聲和EMI。有些轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)控制信號或負(fù)載電流的大小在這兩種控制方式之間切換工作模式。

    LDO在較低壓差(V_IN - V_OUT)應(yīng)用場合能夠獲得較高效率，但在多數(shù)應(yīng)用中，輸入電壓明顯高于輸出電壓。這種情況下，需要使用降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器。收音機(jī)、手機(jī)等RF應(yīng)用中，可以選擇開關(guān)電源，但須注意避免在敏感的IF頻段引入干擾噪聲。

    對于RF應(yīng)用，一個理想的選擇是MAX1684開關(guān)調(diào)節(jié)器。這款器件能夠從4V至12V輸入產(chǎn)生3.3V、1A輸出，效率可達(dá)97%。內(nèi)置300kHz振蕩器和MOSFET，簡單易用。

    為了滿足低電壓、低功耗IC的需求，可以選擇高效的buck調(diào)節(jié)器升級現(xiàn)有的邏輯板。這些電路板通常提供3.3V電源，但需要1.8V電源為新的低壓邏輯電路供電。利用線性穩(wěn)壓器可以方便地把3.3V電壓轉(zhuǎn)換成1.8V，但當(dāng)負(fù)載電流較大時會消耗較大功率，這在許多應(yīng)用中是無法接受的。例如，需要2A輸出電流時，線性穩(wěn)壓器的功耗將達(dá)到3W，需要加裝散熱片。此時，MAX1830高效率開關(guān)電源(圖3)能夠以大于90%的效率提供20mA至2A的輸出電流，無需外部MOSFET，也不需要散熱片。


圖3. MAX1830開關(guān)調(diào)節(jié)器以高于90%的效率將3.3V電源轉(zhuǎn)換成1.8V，輸出電流范圍為20mA至2A，無需外部MOSFET。

    MAX1830采用微小的16引腳QSOP封裝，輸入電壓范圍為3V至5.5V。其靜態(tài)工作電流為325µA，待機(jī)模式下只有0.2µA。較高的開關(guān)頻率(高達(dá)1MHz)允許外部使用小尺寸、低成本的表貼元件。

    多輸出開關(guān)調(diào)節(jié)器用于多電源供電系統(tǒng)，例如，在筆記本電腦中產(chǎn)生V_CC，可以使用MAX1999，能夠產(chǎn)生四路穩(wěn)壓輸出(圖4)。


圖4. MAX1999開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生四路輸出電壓，其中包括兩路高效率的大功率開關(guān)調(diào)節(jié)器和兩個低功率LDO。它還包含電源就緒輸出、關(guān)斷控制、限流以及引腳可編程的上電順序等功能。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器

    在便攜設(shè)備中，低功耗對于A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)來說非常重要。這些應(yīng)用通常要求高速轉(zhuǎn)換，而高速與低功耗在系統(tǒng)設(shè)計中是相互矛盾的兩個因素。針對這類需求，Maxim開發(fā)了一系列能夠在采樣期間保持合理的電流損耗，而在關(guān)斷期間具有極低電流損耗的ADC。從而使轉(zhuǎn)換器不必連續(xù)工作，節(jié)省系統(tǒng)功耗。

    例如，MAX1115能夠每秒鐘轉(zhuǎn)換100k次采樣。工作在+3V時僅消耗175µA電流；自動關(guān)斷模式下僅消耗1µA電流。這樣，MAX1115能夠在間斷性采樣的應(yīng)用中節(jié)省大量功耗(圖5)。

圖5. 通過在兩次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之間進(jìn)入1µA低功耗關(guān)斷模式，MAX1115 8位ADC能夠大大降低電源電流。

    手機(jī)中的信號強(qiáng)度測量(RSSI：接收信號強(qiáng)度測量)是這類應(yīng)用的一個典型案例，MAX1115以2ksps的速率量化信號，僅從3V電源消耗2µA電流。整體系統(tǒng)誤差(失調(diào)、積分非線性、增益誤差之和)小于1 LSB，SINAD (信號與噪聲 + 失真比)低于48dB。

D/A轉(zhuǎn)換器

    新型D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)使得低壓數(shù)字系統(tǒng)能夠產(chǎn)生模擬輸出。便攜應(yīng)用中，要求這些IC具有極低功耗并占用極小的電路板空間。例如，低成本的MAX5811即為一個10位、電壓輸出的DAC，工作電流只有170µA，關(guān)斷模式下電流低至1µA，非常適合便攜式應(yīng)用。串行數(shù)據(jù)控制允許其集成到SOT23封裝內(nèi)。

    MAX5811采用2.7V單電源供電，提供滿擺幅輸出。非常適合失調(diào)電壓調(diào)整、設(shè)置偏置點(diǎn)調(diào)節(jié)電流(或電壓)等低成本應(yīng)用，也可以在其它電路中設(shè)置穩(wěn)壓輸出。

運(yùn)算放大器和電流監(jiān)測器

    運(yùn)算放大器中，降低供電電壓會減小輸出電壓擺幅，進(jìn)而降低信噪比(SNR)?？紤]到這一因素，很多低壓運(yùn)放為了保持較高的SNR，通常需要提供滿擺幅輸出。同樣，許多運(yùn)放還具有滿擺幅輸入電壓范圍(可以達(dá)到單電源或雙電源擺幅)。

    低壓工作不僅降低了信號范圍，噪底的提升也使SNR指標(biāo)更加受限。低壓放大器設(shè)計要求消耗極低的電流，這會造成更大的放大器噪聲。此外，由于使用大阻值反饋電阻(限制系統(tǒng)的電源電流)，也會增大噪聲。

    在更加復(fù)雜的情況下，高阻抗節(jié)點(diǎn)很容易通過耦合電容從高速數(shù)字信號拾取噪聲。因此，高阻引線應(yīng)盡可能短，并使其遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號線。

    值得注意的是，低壓運(yùn)放存在一些相互排斥的特性，包括低電源電流、低失調(diào)電壓和高速。例如，MAX4236A +3V供電系列產(chǎn)品具有1.7MHz的增益帶寬積、20µV的失調(diào)電壓和350µA的電源電流。輸入共模電壓范圍可以達(dá)到負(fù)壓，且滿擺幅輸出。這些特性使MAX4236A系列運(yùn)算放大器非常適合在低壓、電池供電產(chǎn)品中用作儀表放大器。

    Maxim的運(yùn)算放大器產(chǎn)品線還提供雙向、高邊電流檢測放大器，例如：工作電壓為+2.7V的MAX4069系列(圖6)。這些電流檢測放大器采用高邊檢流電阻，從而避免了接地問題，芯片采用8/10引腳µMAX®封裝。


圖6. MAX4070雙向檢流放大器構(gòu)成完備的電流至電壓轉(zhuǎn)換器

    便攜產(chǎn)品設(shè)計中需要節(jié)約每一微安的電流，一些低電壓微功耗運(yùn)算放大器能夠顯著降低電源電流。+1.4V供電的MAX4036/MAX4038和+1.8V供電的MAX4474運(yùn)算放大器具有1.2µA (最大值)的極低功耗。提供滿擺幅輸出，輸入范圍可擴(kuò)展至負(fù)壓。

    當(dāng)運(yùn)算放大器工作在低壓電源時，輸入共模電壓范圍和輸出電壓擺幅受到極大制約。設(shè)計低壓電路時必需注意這些輸入和輸出限制，表3列出了以上討論運(yùn)算放大器的一些數(shù)據(jù)。

表3. Maxim部分低壓運(yùn)算放大器參數(shù)選型表

比較器

    與低壓運(yùn)算放大器一樣，低壓比較器需要針對高速、低電源電流和低失調(diào)電壓進(jìn)行優(yōu)化。例如，MAX9100微功耗比較器能夠工作在1V至5.5V電源范圍，僅消耗12µA (最大值)的電源電流。該器件具有3.7ms的傳輸延時、2mV失調(diào)，輸出擺幅可以達(dá)到電源電壓的0.3V以內(nèi)，共模范圍可以擴(kuò)展到負(fù)壓。

    有些應(yīng)用需要監(jiān)測電源的輸出電壓，要求超低功耗。MAX9017A采用1.8V至5.5V電源供電，僅消耗1.2µA (典型值)電源電流，在單一芯片內(nèi)集成了一個電壓基準(zhǔn)和一個比較器。

微處理器監(jiān)控電路

    任何微處理器(µP)系統(tǒng)都需要“監(jiān)控”管理，以避免出現(xiàn)意想不到的操作。監(jiān)控電路可以是一個簡單的復(fù)位發(fā)生器，確保上電后通過復(fù)位信號使系統(tǒng)在已知條件下啟動。當(dāng)然，許多監(jiān)控電路還包含了其它功能，例如：備份電池管理、存儲器寫保護(hù)、用于監(jiān)測軟件運(yùn)行的“看門狗”定時器等。

    備份電池能夠在V_CC掉電時為一些關(guān)鍵電路(CMOS存儲器、實(shí)時時鐘等)供電，維持這些器件的正常工作。通過監(jiān)測V_CC，µP監(jiān)控電路決定何時將系統(tǒng)切換到備份電池供電。低壓工作時，還會出現(xiàn)一些5V系統(tǒng)不存在的工程問題。

    對于5V系統(tǒng)，只是簡單地比較V_CC和備份電池的電壓，一旦V_CC低于電池電壓，則將系統(tǒng)切換到備份電池供電。但在低壓系統(tǒng)中，這樣的操作可能會導(dǎo)致開關(guān)失效：備份鋰電池的電壓通常在3.6V左右，高于3.3V系統(tǒng)中V_CC的3.0V下限。Maxim的監(jiān)控電路允許備份電池電壓高于V_CC，只有當(dāng)V_CC跌落到所設(shè)置的門限時才會切換到電池供電，從而解決了這一問題。

    MAX823/MAX824提供電壓監(jiān)測和看門狗定時器，采用5引腳SC70和SOT23封裝(圖7)。

圖7. MAX823提供電源電壓監(jiān)測、看門狗、手動復(fù)位功能，采用5引腳SC70/SOT23封裝。

    MAX806R/S/T包括電池切換電路，能夠監(jiān)測3V和5V V_CC雙電源供電系統(tǒng)(圖8)。該電路中，主V_CC比較器用于監(jiān)測3V電源，電源失效比較器(PFI)用于監(jiān)測5V電源。

圖8. 配置如圖所示，該µP監(jiān)控電路用于監(jiān)測雙電壓系統(tǒng)的5V和3V V_CC。

    當(dāng)3V V_CC超出容限時，內(nèi)部電路發(fā)出復(fù)位信號。5V V_CC觸發(fā)門限(4.527V至4.726V)采用精度為0.1%的電阻設(shè)置；當(dāng)5V電壓跌落到門限以下時，電源失效比較器輸出(PFO)拉低手動復(fù)位輸入(MR)。因此，任何超出容限的V_CC都會導(dǎo)致器件復(fù)位。

    有些Maxim的低壓監(jiān)控電路提供片選(CE)功能，用于保護(hù)存儲器IC。CE片選能夠在電源失效時屏蔽存儲器的讀、寫操作，保護(hù)存儲器的內(nèi)容。例如，MAX792和MAX820具有CE片選，通過監(jiān)控電路的傳輸延時只有10ns (較短的傳輸延時允許使用低速、廉價的存儲器，因為CE延時占用極短的存儲周期)。這些器件還提供手動復(fù)位、上電復(fù)位、電源失效報警、看門狗定時等功能。

    低功耗MAX6741能夠監(jiān)測兩路系統(tǒng)電壓，僅消耗6µA的電源電流(圖9)，該系列的監(jiān)控電路均可提供推挽式輸出或漏極開路輸出，采用微型SC70封裝，檢測電壓可低至0.488V。

圖9. MAX6741監(jiān)測兩路電壓，任何一路電壓跌落到門限以下時將產(chǎn)生復(fù)位信號。

電壓基準(zhǔn)

    對于高精度、低電源電流的低壓應(yīng)用，三端帶隙基準(zhǔn)是最佳選擇。與兩端齊納二極管基準(zhǔn)相比，三端基準(zhǔn)通常具有更低的電源電流(圖10)。

圖10. 三端電壓基準(zhǔn)，與兩端基準(zhǔn)不同，電流損耗隨著輸入電壓的變化而變化。

    為了保持最高SNR，輸出電壓應(yīng)盡可能高，輸入與輸出之間的壓差應(yīng)盡可能小。例如，當(dāng)一個2.5V基準(zhǔn)由3V ±10%的電源供電時，最好提供至少200mV的裕量。MAX6029高精度、2.5V基準(zhǔn)能夠滿足這一苛刻要求。它可以接受高達(dá)12V的輸入，僅消耗的5µA電源電流。

    MAX6029能夠源出4mA、吸收1mA的電流，保證0.7µV/µA (源出)和5.5µV/µA (吸入)的負(fù)載調(diào)整率。溫漂為30ppm/°C，在2.5V至12.6V輸入范圍內(nèi)保證27µV/V (典型值)的電源調(diào)整率。

模擬開關(guān)

    最近幾年，低壓模擬開關(guān)的精度有了顯著提高，MAX4651/MAX4652/MAX4653四通道、4Ω、單刀/單擲(SPST)模擬開關(guān)采用1.8V至5.5V單電源供電。正如所預(yù)期的那樣，與高壓供電相比，低壓工作會造成導(dǎo)通電阻增大，開關(guān)速度將低(圖11)。

圖11. MAX4653模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和開關(guān)時間

接口收發(fā)器

USB

    通用串行總線(USB)在計算機(jī)和外設(shè)中非常通用，總線電壓為5V，許多信號需要連接到更低電壓的系統(tǒng)。Maxim器件能夠輕松連接低壓邏輯和USB電平，處理各種USB接口控制信號。MAX3453能夠?qū)SB 1.1/2.0連接到1.65V至3.6V邏輯電平，電源電壓可低至3.1V，非常適合鋰電池供電系統(tǒng)的邏輯信號。圖12給出了低壓邏輯與USB的一個典型連接，通過MAX3453實(shí)現(xiàn)。

圖12. MAX3453 USB收發(fā)器能夠連接低壓邏輯和5V USB總線，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也稱為232E (正式名稱為EIA/TIA-232-E)，常見于大型主機(jī)和微計算機(jī)，當(dāng)時設(shè)備普遍采用±12V供電，最初的RS-232收發(fā)器同樣需要±12V供電。由于壓差的存在，輸出電壓擺幅可能降至±9V，最低電壓為±5V。

    便攜產(chǎn)品和低壓設(shè)備沿用了新的串口規(guī)范，替代傳統(tǒng)的232E、EIA/TIA-562 (簡稱為562)標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)于1991年生效，562和232E標(biāo)準(zhǔn)電氣兼容，即新的562設(shè)計兼容于現(xiàn)有的232E設(shè)備，反之亦然。無論是否采用新標(biāo)準(zhǔn)，通常用RS-232表示兩種標(biāo)準(zhǔn)的任何一種，這已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)的慣例。

    表4給出了232E與562的規(guī)格比較，注意，它們具有不同的驅(qū)動器輸出擺幅(±5V與±3.7V)，但接收器輸入門限相同(±3V)。562器件±3.7V的最小輸出擺幅允許它們與232接收器通信，其輸入門限為±3V。當(dāng)然，此時的噪聲容限只有0.7V。相比之下，232驅(qū)動器±5V的最小輸出擺幅則提供了2V噪聲裕量。

表4. 232E與562接口標(biāo)準(zhǔn)比較

    Maxim新推出的RS-232器件內(nèi)部集成了電荷泵轉(zhuǎn)換器，只需幾個外部電容，能夠工作在更低的電源電壓。許多Maxim的RS-232器件具有自動關(guān)斷功能，通過RS-232通信信號“喚醒”之前耗電只有1µA。MAX3381E (圖13)工作電壓可低至2.35V，確保支持250kbps的數(shù)據(jù)速率，內(nèi)置±15kV ESD保護(hù)。兩路接收器在1µA關(guān)斷模式下保持有效，使得芯片能夠在極低功耗下監(jiān)測外部設(shè)備。MAX218 (圖中沒有畫出)能夠工作在低至+1.8V的電源電壓，內(nèi)部采用開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器，外部需要一個電感、一個二極管和幾個電容。

圖13. 該低壓接口IC內(nèi)部集成了電荷泵轉(zhuǎn)換器，能夠產(chǎn)生RS-232通信所需要的電壓。