用于低壓系統的模擬IC

這篇關于低壓IC的文章討論了多種型號的低壓IC，其中包括：電壓調節器、數據轉換器、運算放大器、電流監測器、比較器、微處理器監控電路、電壓基準、模擬開關以及數據收發器。此外，本文還討論了關于省電以及低壓系統管理的相關信息。

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、手機及其它電池供電的便攜設備。低壓器件同樣也適合交流電供電設備，因為低電壓帶來的低功耗允許設備使用更小的電源、散熱器和風扇。

Maxim的產品線涵蓋了許多低壓IC，包括：運算放大器、比較器、微處理器監控電路、接口、數據轉換器、模擬開關和復用器、電壓基準、DC-DC轉換器、數字電位器以及實時時鐘等時鐘芯片。

本文涉及上述多個模擬IC產品線的器件，能夠從根本上降低工作電流，以下討論了與低壓工作相關的問題，提供了從5V電源產生更低電壓的方案。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

Category	1.8V	2.5V	3V	3.3V
μP Supervisors	MAX6326	MAX6742	MAX6745	MAX6745
A/D Converters	MAX1122	MAX1462	MAX1115	MAX1144
Analog Switches	MAX4695	MAX4644	MAX4653	MAX4592
Charge-Pump Voltage Converters	—	MAX619	MAX1673	MAX1730
Inductor-Based, Step-Up Regulators	MAX1687	MAX1706	MAX1678	MAX1709
Inductor-Based, Step-Down Regulators	MAX1928	MAX1928	MAX1921	MAX1921
Comparators, Fast	LMX331	MAX997	MAX997	MAX997
Comparators, Low Current	MAX9020	MAX9020	MAX9020	MAX9020
Comparators, Low Offset	MAX966	MAX997	MAX997	MAX997
D/A Converters	MAX5522	MAX5523	MAX5811	MAX5355
Digital Pots	—	DS4301	MAX5408	MAX5408
Linear Regulators	MAX1589	MAX1818	MAX1589	MAX1818
Multiplexers	MAX4638	MAX4638	MAX4639	MAX4701
Op Amps, Fast	MAX4291	MAX410	MAX4489	MAX4489
Op Amps, Low Current	MAX4036	MAX4036	MAX4036	MAX4036
Op Amps, Low Offset	MAX480	MAX4236A	MAX4238	MAX4238
Real-Time Clocks	DS1375	DS1375	DS1375	DS1375
References	MAX6018A	MAX6029	MAX6029	MAX6029
RS-232	MAX218	MAX3381E	MAX3322E	MAX3232E
RS-485	—	MAX3471	MAX3471	MAX3076E
USB	MAX3453	MAX3453	MAX3453	MAX3453

低壓工作降低功耗

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

表2. 低壓系統與5V供電系統的功率對照

Load Type	Power-Savings Formula	Power Savings Compared to 5V (%)
		1.8V Operation	2.5V Operation	3V Operation	3.3V Operation
Resistive	(1 - (V / 5)2) x 100	87	75	64	56
Capacitive	(1 - (V / 5)2) x 100	87	75	64	56
Constant Current	(V / 5) x 100	64	50	40	34

穩壓源

關于電壓調節器的一般信息

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

低壓差線性穩壓器(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，價格低于開關電源。但是，如果輸入電壓上升，這些器件會消耗更大功率(產生更多熱量)。當然，在輸入電壓和輸出電壓差別不大的場合，線性穩壓器可以提供較高效率(效率正比于V_OUT/V_IN)。

電荷泵能夠將一個直流電壓提升到更高水平，或對輸入電壓進行反相。它通過電容儲存能量，提供小尺寸、低成本的DC-DC轉換電路。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用。

基于電感的開關調節器能夠支持低功率和大功率的DC-DC轉換，既可以升壓(boost)，也可以降壓(buck)。Maxim的boost轉換器能夠提供高達4A的輸出電流，buck轉換器可以提供高達60A的輸出電流。

低壓差線性穩壓器

線性穩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。新型線性穩壓器比早期的線性穩壓器(如LM7905)具有更低壓差，因此，稱其為低壓差線性穩壓器或LDO。Maxim提供眾多類型的LDO，正壓輸出可低至0.75V (預置電壓)，也可以調節到0.5V。另外，我們還提供負壓輸出的LDO，輸出電壓范圍為-2.5V至-5V。

利用LDO實現低壓轉換既經濟又簡單，MAX1589 LDO系列產品使用簡單，提供0.75V至3.0V的預置輸出電壓，500mA滿載輸出條件下，壓差低至0.175V。MAX1818 LDO系列產品同樣提供0.75V至3.0V的預置輸出電壓，輸出電流可達500mA，輸出電壓可以調節到最低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預置輸出電壓；MAX1818 500mA LDO提供1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.0V和5.0V預置輸出電壓，可調節輸出電壓范圍為1.25V至5V。

MAX8510 LDO系列產品集成了便攜設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節。

電荷泵電壓轉換器

對于低電流應用，將3V電壓轉換到5V輸出最簡單的方案是基于電容的電荷泵(圖2)。工業標準的7660和大多數其它型號的電荷泵不能提供穩壓輸出V_OUT，而MAX619內置模擬基準和誤差放大器，該誤差放大器輸出控制一組連接至外部電容的內部開關。開關電容網絡可以實現V_IN的倍壓或三倍壓，MAX619通過切換不同的工作模式，最終獲得穩定的輸出電壓。以下電路能夠在2V至3.6V輸入下產生5V ±4%的輸出電壓，電流可達20mA。對于3.0V至3.6V輸入，輸出電流可以達到50mA。


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

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

處理雙極性信號的系統通常需要一路負壓供電，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。

基于電感的開關調節器

開關調節器提供單路或多路輸出，可以采用脈沖頻率調制(PFM)、脈沖寬度調制(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控制機制在輕載下可以獲得較高效率，靜態電流可低至10μA。PWM架構功耗較大，但其固定頻率工作方式有助于降低噪聲和EMI。有些轉換器可以根據控制信號或負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)應用場合能夠獲得較高效率，但在多數應用中，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調節器。收音機、手機等RF應用中，可以選擇開關電源，但須注意避免在敏感的IF頻段引入干擾噪聲。

對于RF應用，一個理想的選擇是MAX1684開關調節器。這款器件能夠從4V至12V輸入產生3.3V、1A輸出，效率可達97%。內置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調節器升級現有的邏輯板。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。利用線性穩壓器可以方便地把3.3V電壓轉換成1.8V，但當負載電流較大時會消耗較大功率，這在許多應用中是無法接受的。例如，需要2A輸出電流時，線性穩壓器的功耗將達到3W，需要加裝散熱片。此時，MAX1830高效率開關電源(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開關調節器以高于90%的效率將3.3V電源轉換成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。其靜態工作電流為325μA，待機模式下只有0.2μA。較高的開關頻率(高達1MHz)允許外部使用小尺寸、低成本的表貼元件。

多輸出開關調節器用于多電源供電系統，例如，在筆記本電腦中產生V_CC，可以使用MAX1999，能夠產生四路穩壓輸出(圖4)。


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

數據轉換器

A/D轉換器

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

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


圖5. 通過在兩次數據轉換之間進入1μA低功耗關斷模式，MAX1115 8位ADC能夠大大降低電源電流。

手機中的信號強度測量(RSSI：接收信號強度測量)是這類應用的一個典型案例，MAX1115以2ksps的速率量化信號，僅從3V電源消耗2μA電流。整體系統誤差(失調、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轉換器

新型D/A轉換器(DAC)使得低壓數字系統能夠產生模擬輸出。便攜應用中，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，關斷模式下電流低至1μA，非常適合便攜式應用。串行數據控制允許其集成到SOT23封裝內。

MAX5811采用2.7V單電源供電，提供滿擺幅輸出。非常適合失調電壓調整、設置偏置點調節電流(或電壓)等低成本應用，也可以在其它電路中設置穩壓輸出。

運算放大器和電流監測器

運算放大器中，降低供電電壓會減小輸出電壓擺幅，進而降低信噪比(SNR)。考慮到這一因素，很多低壓運放為了保持較高的SNR，通常需要提供滿擺幅輸出。同樣，許多運放還具有滿擺幅輸入電壓范圍(可以達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指標更加受限。低壓放大器設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(限制系統的電源電流)，也會增大噪聲。

在更加復雜的情況下，高阻抗節點很容易通過耦合電容從高速數字信號拾取噪聲。因此，高阻引線應盡可能短，并使其遠離高速數字信號線。

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

Maxim的運算放大器產品線還提供雙向、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雙向檢流放大器構成完備的電流至電壓轉換器

便攜產品設計中需要節約每一微安的電流，一些低電壓微功耗運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，輸入范圍可擴展至負壓。

當運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列出了以上討論運算放大器的一些數據。

表3. Maxim部分低壓運算放大器參數選型表

Part	Supply Voltage Range (V)	Supply Current (μA, typ/max)	Input Common-Mode Voltage Range (V)	Output-Voltage Swing (V, typ)
MAX4036/MAX4038	1.4 to 3.6	0.8/1.2	VSS to (VDD - 0.4)	(VSS + 0.002) to (VDD - 0.002)
MAX4069	2.7 to 24	100/250	1.35 to 24	(VSS + 0.1) to (VDD - 0.09)
MAX4070	3.6 to 24	100/250	1.35 to 24	(VSS + 0.1) to (VDD - 0.09)
MAX4236A	2.4 to 5.5	350/440	-0.15 to (VCC - 1.2)	(VEE + 0.05) to (VCC - 0.15)
MAX4474	1.8 to 5.5	0.75/1.2	VSS to (VDD - 1.1)	(VSS + 0.001) to (VDD - 0.004)

比較器

與低壓運算放大器一樣，低壓比較器需要針對高速、低電源電流和低失調電壓進行優化。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，輸出擺幅可以達到電源電壓的0.3V以內，共模范圍可以擴展到負壓。

有些應用需要監測電源的輸出電壓，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，在單一芯片內集成了一個電壓基準和一個比較器。

微處理器監控電路

任何微處理器(μP)系統都需要“監控”管理，以避免出現意想不到的操作。監控電路可以是一個簡單的復位發生器，確保上電后通過復位信號使系統在已知條件下啟動。當然，許多監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、用于監測軟件運行的“看門狗”定時器等。

備份電池能夠在V_CC掉電時為一些關鍵電路(CMOS存儲器、實時時鐘等)供電，維持這些器件的正常工作。通過監測V_CC，μP監控電路決定何時將系統切換到備份電池供電。低壓工作時，還會出現一些5V系統不存在的工程問題。

對于5V系統，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，則將系統切換到備份電池供電。但在低壓系統中，這樣的操作可能會導致開關失效：備份鋰電池的電壓通常在3.6V左右，高于3.3V系統中V_CC的3.0V下限。Maxim的監控電路允許備份電池電壓高于V_CC，只有當V_CC跌落到所設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提供電源電壓監測、看門狗、手動復位功能，采用5引腳SC70/SOT23封裝。

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


圖8. 配置如圖所示，該μP監控電路用于監測雙電壓系統的5V和3V V_CC。

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

有些Maxim的低壓監控電路提供片選(CE)功能，用于保護存儲器IC。CE片選能夠在電源失效時屏蔽存儲器的讀、寫操作，保護存儲器的內容。例如，MAX792和MAX820具有CE片選，通過監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位、上電復位、電源失效報警、看門狗定時等功能。

低功耗MAX6741能夠監測兩路系統電壓，僅消耗6μA的電源電流(圖9)，該系列的監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監測兩路電壓，任何一路電壓跌落到門限以下時將產生復位信號。

電壓基準

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


圖10. 三端電壓基準，與兩端基準不同，電流損耗隨著輸入電壓的變化而變化。

為了保持最高SNR，輸出電壓應盡可能高，輸入與輸出之間的壓差應盡可能小。例如，當一個2.5V基準由3V ±10%的電源供電時，最好提供至少200mV的裕量。MAX6029高精度、2.5V基準能夠滿足這一苛刻要求。它可以接受高達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)的負載調整率。溫漂為30ppm/°C，在2.5V至12.6V輸入范圍內保證27μV/V (典型值)的電源調整率。

模擬開關

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


圖11. MAX4653模擬開關的導通電阻和開關時間

接口收發器

USB

通用串行總線(USB)在計算機和外設中非常通用，總線電壓為5V，許多信號需要連接到更低電壓的系統。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能夠將USB 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實現。


圖12. MAX3453 USB收發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)，常見于大型主機和微計算機，當時設備普遍采用±12V供電，最初的RS-232收發器同樣需要±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。

便攜產品和低壓設備沿用了新的串口規范，替代傳統的232E、EIA/TIA-562 (簡稱為562)標準。新標準于1991年生效，562和232E標準電氣兼容，即新的562設計兼容于現有的232E設備，反之亦然。無論是否采用新標準，通常用RS-232表示兩種標準的任何一種，這已經是行業內的慣例。

表4給出了232E與562的規格比較，注意，它們具有不同的驅動器輸出擺幅(±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。當然，此時的噪聲容限只有0.7V。相比之下，232驅動器±5V的最小輸出擺幅則提供了2V噪聲裕量。

表4. 232E與562接口標準比較

Parameter	EIA-232E	EIA-562
Mode of operation	Single ended	Single ended
Allowed number of transmitters and receivers per data line	1 Tx, 1 Rx	1 Tx, 1 Rx
Maximum cable length	C < 2500pF	C < 2500pF for data rates < 20kb/s,C < 1000pF for data rates > 20kb/s
Maximum data rate (kb/s)	20	64
Driver output voltage, loaded (V)	minimum
	±5	±3.7
	maximum
	±15	±13.2
Maximum driver short-circuit current (mA)	500	60
Transmitter load impedance (kΩ)	3 to 7	3 to 7
Instantaneous slew rate (V/μs)	<30	<30
Receiver input threshold (sensitivity) (V)	±3	±3
Receiver input resistance (kΩ)	3 to 7	3 to 7
Receiver input range (V)	±25	±25

Maxim新推出的RS-232器件內部集成了電荷泵轉換器，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的數據速率，內置±15kV ESD保護。兩路接收器在1μA關斷模式下保持有效，使得芯片能夠在極低功耗下監測外部設備。MAX218 (圖中沒有畫出)能夠工作在低至+1.8V的電源電壓，內部采用開關模式電源轉換器，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內部集成了電荷泵轉換器，能夠產生RS-232通信所需要的電壓。