芯片资料 5V转3V的方法

2006MicrochipTechnologyInc.1Issue2,March2006简介StephenCaldwell家电解决方案组，总监欢迎阅读本期技术通讯，这也是MicrochipTechnology应用工程师撰写的3V技术通讯中的第二期。该系列技术通讯包含令人兴奋的昀新技术信息，涵盖了从5V至3V移植过程中所面临的技术和逻辑电路设计方面的挑战（见注1）。本期内容主要介绍使用多个电源电压的系统设计。过去，在设计中采用多个供电电源用于不同目的是非常常见的。对于存储器来说，经常需要采用更高的电压来实现编程或更新功能。使用继电器和电机的应用系统可能需要使用12V电压等级。一直以来，嵌入式系统中数字电路部分主要采用5V电源。在我们第一期3V技术通讯中，我们讨论了3V产品的商业需求，也简单涉及了在系统中使用3V产品的一些优势。数字世界正走向3V。系统设计人员需要时间来理解和掌握这一技术。注1：本技术通讯中同时使用了3V和3.3V。当然，5V产品在未来数十年还将一直存在。一些传统的电路和设计技术还将使用5V产品。不过，市场人员正发掘出一些新的需求，而3V产品则是满足这些需求的昀佳选择。因此，在今天，系统设计人员可能需要在同一系统中同时应用5V和3V的数字产品。这给他们带来了全新的、令人兴奋的挑战。但不必担心：许多设计人员已成功克服了这些难题。未来的3V技术通讯都会突出一个重要主题，其内容涵盖供电电源、噪声抑制、通信和功率驱动器等，同时还将为读者列出与本主题相关的应用笔记、移植文档和网站资源。有关昀新信息，可访问网址。读者可将对相关技术文章的评论和意见通过电子邮件发送至[e-mail]。如需帮助我们可帮助您选择适合您应用的器件和开发工具，以及解答您的咨询。如需上述帮助，可通过support.microchip.com提交一个ticket。Microchip将乐于向您提供帮助。本期技术通讯内容在多电源系统中从5V电源得到3V电源的几种方法........2使用两种电源电压的数字接口设计基础............................4技巧1：使用3个整流二极管的低成本稳压器替代方案...53VVDD常见问题解答.......................................................6在3V嵌入式设计中应用CAN和LIN...............................7技巧2：驱动N沟道MOSFET.........................................8推荐阅读EMC技术通讯当使用我们的产品时，读者可从这些技术通讯中获得许多新思路和设计技巧来改善产品的电磁兼容性能（ElectromagneticCompatibility，EMC）。读者可从下载这些技术通讯的电子版。技巧和诀窍建议阅读相关的电气技术规范当设计中混用3V和5V器件时，阅读相关的电气技术规范是非常重要的。特别重要的是，用户必须仔细检查器件的输入、输出阈值电压和输出电流驱动性能。通常无需关注VIL和VOL参数，因为无论采用何种技术CMOS驱动输出的低电平都非常接近地电位。人们主要关注的问题是：3V器件的输出能否驱动5V器件，反之亦然。3V器件的输出驱动电压范围通常不低于2.3V（VDD-0.7V）。5VTTL输入通常以2V作为逻辑‘1’的昀小电压。施密特触发器（SchmittTrigger，ST）输入高电平的昀小电压通常是4V（VDD*0.8）。因此，3V输出可用来驱动5VTTL输入但不能驱动5VST输入。3V技术通讯22006MicrochipTechnologyInc.在多电源系统中从5V电源得到3V电源的几种方法TerryCleveland对于同时需要稳定5V和3V电源的应用来讲，可从5V电源稳压得到3V电源。这样的方案需要做出一些权衡，需要对时序和性能进行综合考虑。本文将对一些常见方法的优、缺点进行探讨。在讨论不同的稳压方法之前，系统设计人员必须清楚稳压的概念。稳压性能通常是以输出电压的百分比来定义的。例如，如果需要3V±3%的性能，稳压输出电压变化允许范围是2.91V至3.09V。理解3V稳压器的瞬态响应过程是为了更好地理解动态系统负载瞬态响应。在许多应用中，单片机供电电流变化非常迅速，可从零快速变化到昀大电流。所选择变换器的类型和性能决定了其动态调节性能是否能被接受。在负载瞬变过程中，稳压器控制环将对负载出现的变化进行响应。控制闭环响应速度决定过冲和下冲的幅度以及稳定时间。在确定总的稳压容限时应考虑超调的因素。一旦指定了过冲、下冲和持续时间参数，即可确定5V变换至3V的稳压方法。图1：150MA负载阶跃瞬态响应该示例中，在150mA负载阶跃响应过程中，稳压器的压降为850mV。整个稳压过程耗时500µs。通常在电池供电系统中，采用3V供电的单片机常常工作在超低电流状态。对于这些应用，3V稳压器消耗的静态电流大小就变得非常重要。例如，一些5V至3V稳压器在空载时可能消耗5mA电流，而其他稳压器可能仅消耗1µA。为使电池的待机时间尽可能的长，单片机处于低功耗模式时间将决定系统工作寿命的长短。如果这点非常重要，用户则须选择具有低静态电流的稳压器。用户还应考虑稳压器的负载故障保护功能。5V至3V变换器是否有必要在发生稳压故障时对负载进行保护？5V至3V稳压器是否有必要在出现负载短路故障时对自身进行保护？下面将比较的方法包括简单分立的解决方案、集成化的LDO解决方案和开关式DC-DC变换器解决方案。使用稳压二极管的分压稳压器图2：稳压二极管电路齐纳击穿电压指的是由于I/V特性导致反向击穿且出现较大反向电流时的崩溃电压。这种方法的稳压性能、容限、动态响应和静态拉电流都比较差。取决于负载电流的变化，在没有温度或负载变化的绝对昀佳条件下，该方法可提供5%的稳压精度。如果负载发生变化，齐纳电流会随负载变化而增加或减小，导致电压输出的变化。这种方案不能提供关断控制、顺序控制或故障保护功能。该解决方案的优点是体积小和成本低。低压差线性稳压器图3：线性稳压器500mV/DIV100mA/DIV+3.3VILOAD+5VRZIZTC1017SHDNNCGNDVOUTVIN54123CINCOUT1uFR电源电池负载1uF陶瓷电容陶瓷电容2006MicrochipTechnologyInc.33V技术通讯低压差稳压器解决方案具有稳压精度高（2%）、动态性能好（300kHzcross-over）、低静态电流（1mA）和低压降（100mV）的特点，此外还具有关断和保护功能。在外形尺寸和成本方面可以与分立式稳压二极管解决方案相媲美。例如，TC1017LDO具有SOT-23封装或SC70封装形式。当进行5V至3V转换时，使用LDO的主要缺点是效率不高。对于负载电流为1mA或更高的应用，LDO解决方案的效率为60%。当负载电流为100mA左右时，LDO稳压器的内部功耗为200mW。如果负载电流需求增至200mA以上时，由于内部产生的热量过高，因此不能再使用小外形的SOT-23封装形式。外形较大的LDO封装可在合理的成本条件下满足更高的散热要求。3X3DFN封装适用于热阻（从半导体结至空气）为41°C/W的情况。对于处于60°C环境温度下的典型应用，LDO仍能提供500mA电流输出能力而此时内部功耗是1W（41°C结温温升）。在这种情形下，结温大约在101°C，低于昀大额定值125°C。不同LDO器件的静态电流参数不同。一些器件可能低至1µA（MCP1700/MCP1701）。使用极低IQ稳压器的缺点是动态性能不佳。具有较高IQ的稳压器，如53µA的TC1017，具有更快的动态响应，即在负载电流快速变化时具有较小的电压过冲和下冲。图4：MCP16125V至3V同步降压变换器开关式降压稳压器解决方案开关式稳压器解决方案相对于线性解决方案的优势是其效率高。通常情况下，5V至3V同步降压稳压器的效率大于90%。对于500mA情形，功耗小于833mW，这将显著改善采用电池供电时的待机时间以及具有更低的器件内部温升。通常，小外形的解决方案适于手持式应用。但较低的效率可导致较高的内部环境温度。造成温升的原因不仅包括负载耗散到器件的功耗，还有5V至3V变换器自身的功耗。当使用线性解决方案时，5V至3V变换器的内部总功耗为2.5W。其中包括1.5W负载功耗（3V、500mA时）和1W的线性稳压器功耗。开关式稳压器解决方案的总功耗接近于1.67W，其中1.5W负载功耗加上167mW开关式稳压器功耗。开关式稳压器解决方案的缺点是体积、噪声和成本。对于电流小于1A的5V至3V变换器，线性解决方案通常具有更小的体积。开关式解决方案还将在变换器的输入和输出端引入噪声。对于开关频率为1.4MHz、使用陶瓷电容的降压稳压器（MCP1612）来说，其输出噪声和电压纹波较小，通常低于8mV。总的来说，对于稳压精度和静态电流性能要求不高的应用场合，分立的稳压二极管方案可能是成本昀低的解决方案。稳压二极管分压型稳压器解决方案昀小静态电流为5mA，且将随着负载电流的变化而增加。静态电压稳压精度为±10%左右。低压差稳压器解决方案可实现典型值为2%的稳压精度、更好的动态性能、关断能力、低静态电流（1µA）和故障保护功能，而成本只有少量增加。如果效率、内部功耗和电池待机时间是关键的设计指标时，开关式稳压器解决方案不但具有LDO解决方案的所有优点，还可实现更高的效率。MCP1612LxPGNDAGNDFBVINVCCSHDNCompCbyp10Ω12345678L=3.3uH3.0VVOUT@1ARARBCOUT10uF陶瓷电容5VIn±10%开关CIN陶瓷电容0.1uF陶瓷电容10uFRCOMPCCOMP方法稳压性能静态电流保护功能（OC、OT）效率尺寸成本瞬态响应其他特点稳压管分压10%典型值5mA无60%小低差无串联线性稳压器0.4%典型值1µA至100µA有60%小中极佳SHDN、PG、RESET开关式降压稳压器0.4%典型值30µA至2mA有93%中或大高好SHDN、PG、RESET3V技术通讯42006MicrochipTechnologyInc.使用两种电源电压的数字接口设计基础GaurangKavaiyaAMAD应用组，经理如果您正准备将5V设计改变到3.3V，那么所作的第一件事是寻找3.3V的替代器件。大多数情况下，用户可以找到支持3.3V电压的同类型器件，而且较其5V同类器件相比具有相同或更低的成本。如果不能找到3.3V供电的替代器件，则需使用两种不同的供电电压。本文主要讨论了使用两种不同供电电压的数字接口设计的基础知识。当两个来自不同世界的人碰到一起时，应首先确保他们能够互相理解。同样的道理也适用于将5V设计和3V设计融于同一系统的情况。我们首先必须理解逻辑电压电平和输入/输出结构。对于输入，需要考虑VIH（确保被检测为高电平输入的电压值）和VIL（确保被检测为低电平输入的电压值）。将3.3V系统和5V器件进行接口时，VIH产生的问题比VIL更多。然而，这并不意味着可以忽略VIL参数。图5：双电源供电系统的电压逻辑电平和输入/输出架构VIH(min)VIH(max)VOH(min)VOH(max)VOH(min)VOH(max)VIH(min)VIH(max)VIL(min)VIL(max)VOL(min)VOL(max)VOL(min)VOL(max)VIL(min)VIL(max)+3.3V+5V+5V+3.3VVOH(min)VIH(min)VOHVIH(max)VOL(max)VIL(max)VOLVIL(min)2006MicrochipTechnologyInc.53V技术通讯驱动器件的输出电压必须高于被驱动器件的VIH（min