一种为微控制器供电的低成本方法

时间：2023-04-13

例子是已经具有 5 V 电源轨的 PCB 上的 3.3 V 微控制器。产品的主电源（例如，来自墙上变压器）可能是 5 V，或者开关可能为电路板上的其他组件生成 5 V。在任何情况下，您都有 5 V，而您需要 3.3 V 用于始终执行基本监视、控制和通信任务的小型低功耗 MCU。

假设我们在消费电子领域工作——产品不需要承受极端的温度变化，没有人的生命依赖于它，并且限度地降低成本是中心设计目标。

像我这样的过度设计者会本能地选择线性稳压器 IC，它的电流容量可能是我需要的五倍，并且有一系列与我的应用无关的惊人规格——在整个温度范围内的 2% V OUT 精度，输入电压高达 20 V，0.001 %/V 线路调节等。

您可能认为我正在走向基于齐纳二极管的稳压器，但我的想法比这更基本：它只是三个普通二极管的串联。

我们在这里所做的就是使用二极管压降将 5 V 电源轨置于微控制器可接受的电源电压范围内。这真的有用吗？好吧，首先让我们看一下基本的电压和电流考虑因素。

我熟悉 Silicon Labs 制造的处理器，因此我将使用他们的规格作为代表性示例。较旧的 3.3 V 设备系列中的 V DD范围为 2.7 V 至 3.6 V，而较新的可承受 2.2 V 至 3.6 V。我们观察到，

如果我们可以依赖恒压降模型，三二极管电压“调节器”将很容易实现。但在像这样的应用中，我们需要一种更的分析方法。

二极管压降的确切电压是电流的平滑变化函数。因此，三个二极管压降后剩余的电源电压将发生显着变化，具体取决于 MCU 在任何给定时刻消耗的电流量。

我们必须做的是仔细估计 MCU 的电流消耗，然后二极管数据表中的正向电流与正向电压图帮助我们确定二极管压降是否在可接受的范围内。

这是一个例子：

假设我们试图保持在 2.7 V–3.6 V 的电源电压范围内。如果我们在室温下工作并且微控制器需要 1 mA，我们将在 600 mV 区域有二极管压降。这使我们接近 V DD范围的中间。

如上所述，二极管电压的下限和上限分别为 470 mV 和 750 mV，这对应于大约80 μA至10 mA的电流消耗范围（80 μA 是一个近似值，因为该图没有扩展到如此低的电流）。

对于像我们在本文中考虑的应用那样的应用，10 mA 会相当高，除非 MCU 必须提供大的 I/O 电流来驱动 LED 或类似的东西。例如，EFM8 Busy Bee 在 24.5 MHz 下运行时仅消耗约 4.5 mA 的电流。电流消耗在 1.53 MHz 时降至 0.9 mA。

当您查看这些数字时，三二极管稳压器似乎是一个可行的选择，并且可能在相当多的应用中提供足够的性能。然而，在我们继续进行成本分析之前，我们需要讨论一个重要的限制。

随着 MCU 的电流消耗降低，二极管压降也会降低，这会导致输送到器件 V DD引脚的电压更高。如果 VDD电压过高，MCU 可能会损坏。当设备进入某种低功耗睡眠或待机模式时，就会发生这种情况。

然而，另一种可能性是正常复位会导致暂时的低电流消耗。这将是一个瞬态事件，因此，旁路电容器可能会保护 MCU，但我从未在实际电路中使用过三二极管稳压器，所以我不确定。

这些问题的解决方案是包括额外的电路，以防止电流变得危险的低。如果您有其他组件通过二极管吸收电流，这可能会自动完成。否则，您可以包括一个根据可接受的二极管电流确定大小的电阻器：

我在 Digi-Key 上找到的的线性稳压器 IC 售价 4.3 美分（本节中提到的所有价格均指大批量订单，即数千件）。

如果 MCU 的旁路电容不能充分稳定稳压器，您还需要一个输出电容器。（我总是为稳压器和 MCU 使用单独的电容器，但如果您认为它们可以共用一个电容器，请在评论中告诉我们。）1 μF 的陶瓷电容器会使 BOM 成本增加 0.3–0.4 美分。

我看到一个三二极管阵列（即一个表面贴装封装中的三个独立二极管）的价格为 2 美分。单个表面贴装二极管低至约 1.2 美分，总成本为 3.6 美分。电阻器会比电容器便宜一点，可能 0.2 美分。

这些数字表明适度降低成本是可能的。然而，这是一个简单的分析，我的直觉告诉我，当考虑所有购买因素时，从经济角度来看，三二极管解决方案看起来会更好。