内核电压稳定的重要意义

在探讨电源拓扑细节之前，我们必须明确维持处理器和微控制器内核电压稳定的重要性。稳定的内核电压是器件性能一致且可靠的基础，能够防止意外崩溃、故障或不稳定行为的发生。从电源效率角度来看，良好调节的内核电压可有效降低电力损耗，提升系统的整体能效。同时，电压波动会导致器件过早磨损，缩短其使用寿命，而稳定的内核电压有助于减少电磁干扰（EMI），满足电磁兼容性（EMC）标准要求，这对于医疗设备和航空航天系统等敏感应用尤为关键。此外，适当的电压调节还能保护器件免受外部电噪声的影响，增强其在高噪声环境中的可靠性。

图1线性稳压器ADP7142可提供1.8V输出轨

常见电源拓扑分析

微处理器和微控制器常用的电源拓扑主要包括线性稳压器和开关模式电源（SMPS），其中降压、升压、降压-升压转换器和单输入多输出（SIMO）转换器都属于SMPS范畴，每种拓扑都有其独特的优缺点。

线性稳压器

线性稳压器是一种简单易用、高性价比的解决方案，适用于低功耗应用。它能够在输入电压变化时提供恒定的输出电压，多余的电压以热量形式耗散。然而，由于功耗问题，其在大电流应用中效率较低。在使用LDO稳压器进行设计时，需要综合考虑多方面因素。

开关模式电源（SMPS）

SMPS因其高效率成为微处理器和微控制器常用的拓扑结构。它通过快速开关功率器件（通常是晶体管）将输入电压转换为所需输出电压，能实现精确的电压调节并降低功耗。不过，使用SMPS时也需要考虑多方面因素。

图2降压、升压和降压-升压拓扑是三种基本SMPS拓扑

SMPS的不同类型

降压转换器

降压转换器可将输入电压降至较低的输出电压，广泛用于为微控制器和低功耗微处理器供电。其工作原理是通过开关器件（通常为晶体管）将能量储存在电感和电容中，再以受控方式传送到输出端。选择降压转换器作为电源拓扑时，需权衡其优缺点。

图3LT8631微功耗降压转换器解决方案

SIMO转换器

SIMO是一种创新的电源管理技术，可通过单个电感提供多个稳压输出。传统电源管理电路通常为每个输出配备单独的电感，导致元件数量多、占用电路板空间大且能量损耗高。而SIMO简化了设计，让多个输出通道共享单个电感，提高了效率并减小了整体尺寸。采用SIMO转换器作为电源拓扑时，需考虑其优缺点。

图4MAX17270SIMO转换器配置为提供三个输出轨

升压转换器

升压转换器可将输入电压提升至更高的输出电压，在微控制器和微处理器中不太常见，但在需要较高内核电压的应用中会有应用。选择升压转换器作为电源拓扑时，要考虑其优缺点。

图5升压转换器LT8336的输出电压为24V

降压-升压转换器

降压-升压转换器兼具降压和升压转换器的功能，可降低或升高输入电压以提供稳定的输出电压，这种灵活性使其适用于电压需求多变的应用场景。采用降压-升压转换器作为电源架构时，需考虑其优缺点。

图6降压-升压转换器LTC3114-1配置为提供3.3V输出电压

选择拓扑时的考虑因素

为微处理器或微控制器选择正确的电源拓扑，需要综合考虑多个因素。

电源效率：明确设备的电源要求，选择高效拓扑以减少能耗和发热。

输入电压范围：考虑设备工作环境中可能的输入电压范围，确保所选拓扑能适应变化。

输出电压：确定微处理器或微控制器所需的内核电压，某些拓扑（如降压-升压转换器）在这方面更灵活。

尺寸和重量限制：若应用有空间或重量限制，应选择能提供紧凑型、轻量级解决方案的拓扑。

成本：评估项目成本约束，低功耗应用中线性稳压器可能性价比高，高功率要求时SMPS解决方案可能更具成本效益。

EMC考量：若应用需符合EMC标准，所选拓扑应能通过适当布局和滤波满足要求。

瞬态响应：考虑电源的瞬态响应，微处理器和微控制器会经历负载突变，快速稳定响应的拓扑可防止电压下降或过冲。

可靠性：评估应用的可靠性要求，某些拓扑（如线性稳压器）元件较少，在某些场景中可能更可靠。

环境条件：考虑设备的工作环境，电池供电应用中能效至关重要，工业应用中稳健性和抗扰度可能更关键。

实用的实施技巧

选择合适的电源拓扑后，还需借助一些实用技巧来成功实施。

元件选择：选用高质量的元件，包括电感、电容和晶体管，确保系统稳定可靠运行。

布局和布线：仔细规划PCB上电源电路的布局和布线，尽量减小环路面积，使用适当的接地技术，降低噪声并改善EMC性能。

滤波：根据需要添加输入和输出滤波器，抑制EMI，确保输出电压干净稳定。

保护：实施过压、欠压和过流保护机制，保护微处理器或微控制器免受损坏。

测试和特性表征：在各种工作条件下对电源电路进行全面测试和特性表征，确保符合所需性能规格。

散热管理：若设计涉及功耗，考虑添加散热器或散热管理解决方案，防止过热。

结语

为微处理器或微控制器选择正确的电源拓扑是设计过程中的关键步骤。每种拓扑都有其优缺点，应根据应用的具体要求进行选择。同时，实施阶段也同样重要，正确的元件选择、谨慎的布局布线和全面的测试，对于充分发挥所选电源拓扑的潜力至关重要。重视这些细节，能让微处理器和微控制器获得高效的供电，从而在各种应用中实现出色的性能。