如何选择低压系统模拟IC？

　　低压工作降低功耗
　　将系统电源从 5V 降至一个更低电压可以大大节省系统功耗。对于阻性和容性负载，所节省的功耗与电压的平方成正比；对于恒流负载，例如基准、运算放大器，所节省的功耗与电压成线性比例；对于恒功率负载，例如：硬盘，降低电源电压不会节省功耗，但它要求器件工作在更低的输入电压。表 2 归纳了低压系统与 5V 供电系统的功率对照。
　　表 2. 低压系统与 5V 供电系统的功率对照
　　
　　稳压源
　　关于电压调节器的一般信息
　　Maxim 提供多种稳压器，能够产生低电源电压或者将一个低压转换到另一低压，其中包括：低压差线性稳压器、开关电容电荷泵转换器和基于电感的开关电源。
　　低压差线性稳压器（LDO）使用简单，要求输入电压高于输出电压，能够提供最高 4A 的输出电流。LDO 具有极低噪声，价格低于开关电源。但是，如果输入电压上升，这些器件会消耗更大功率（产生更多热量）。当然，在输入电压和输出电压差别不大的场合，线性稳压器可以提供较高效率（效率正比于 VOUT/VIN）。
　　电荷泵能够将一个直流电压提升到更高水平，或对输入电压进行反相。它通过电容储存能量，提供小尺寸、低成本的 DC-DC 转换电路。然而，这类器件的输出电流通常低于 0.75A，仅限于低功率场合应用。
　　基于电感的开关调节器能够支持低功率和大功率的 DC-DC 转换，既可以升压（boost），也可以降压（buck）。Maxim 的 boost 转换器能够提供高达 4A 的输出电流，buck 转换器可以提供高达 60A 的输出电流。
　　低压差线性稳压器
　　线性稳压器要求输入电压高于输出电压。所需要的输入电压与输出电压的最小差值称为压差。新型线性稳压器比早期的线性稳压器（如 LM7905）具有更低压差，因此，称其为低压差线性稳压器或 LDO。Maxim 提供众多类型的 LDO，正压输出可低至 0.75V （预置电压），也可以调节到 0.5V。另外，我们还提供负压输出的 LDO，输出电压范围为 -2.5V 至 -5V。
　　利用 LDO 实现低压转换既经济又简单，MAX1589 LDO 系列产品使用简单，提供 0.75V 至 3.0V 的预置输出电压，500mA 满载输出条件下，压差低至 0.175V。MAX1818 LDO 系列产品同样提供 1.5V 至 5.0V 的预置输出电压，输出电流可达 500mA，输出电压可以调节到最低 1.25V，500mA 满载输出条件下，压差可以低至 0.12V。
　　
　　图 1. MAX1589 500mA LDO 提供 0.75V、1.0V、1.3V、1.5V、2.5V 和 3.0V 预置输出电压；MAX1818 500mA LDO 提供 1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.3V 和 5.0V 预置输出电压，可调节输出电压范围为 1.25V 至 5V。
　　MAX8510 LDO 系列产品集成了便携设备所要求的一些重要功能：小尺寸（SC70）、低压差（在 120mA 时为 120mV）、低电源电流（90µA，最大值）。MAX8510/MAX8511 可以提供多种预置输出电压，输出范围为 1.5V 至 4.5V；MAX8512 的输出电压可以通过外部电阻调节。
　　电荷泵电压转换器
　　对于低电流应用，将 3V 电压转换到 5V 输出最简单的方案是基于电容的电荷泵（图 2）。工业标准的 7660 和大多数其它型号的电荷泵不能提供稳压输出 VOUT，而 MAX619 内置模拟基准和误差放大器，该误差放大器输出控制一组连接至外部电容的内部开关。开关电容网络可以实现 VIN 的倍压或三倍压，MAX619 通过切换不同的工作模式，最终获得稳定的输出电压。以下电路能够在 2V 至 3.6V 输入下产生 5V ±4%的输出电压，电流可达 20mA。对于 3.0V 至 3.6V 输入，输出电流可以达到 50mA。
　　
　　图 2. 仅占用不到 0.1in2 的电路板尺寸，MAX619 稳压型电荷泵转换器能够从 2V 至 3.6V 输入产生 5V ±4%输出，电流可达 20mA；3V 至 3.6V 输入时，电流可达 50mA。
　　MAX5008 是稳压型 5V USB 电荷泵，可以从低至 2.9V 的输入电压提供高达 125mA 的输出电流，非常适合 3.0V 或 3.3V 供电的 USB 主设备。
　　处理双极性信号的系统通常需要一路负压供电，必要时可以使用本地供电，MAX889 等电荷泵反相器是一种便捷的选择。

　基于电感的开关调节器
　　开关调节器提供单路或多路输出，可以采用脉冲频率调制（PFM）、脉冲宽度调制（PWM），也可以同时采用这两种工作模式，具体取决于对输出功率的要求。PFM 控制机制在轻载下可以获得较高效率，静态电流可低至 10µA。PWM 架构功耗较大，但其固定频率工作方式有助于降低噪声和 EMI。有些转换器可以根据控制信号或负载电流的大小在这两种控制方式之间切换工作模式。
　　LDO 在较低压差（VIN - VOUT）应用场合能够获得较高效率，但在多数应用中，输入电压明显高于输出电压。这种情况下，需要使用降压型开关调节器。收音机、手机等 RF 应用中，可以选择开关电源，但须注意避免在敏感的 IF 频段引入干扰噪声。
　　对于 RF 应用，一个理想的选择是 MAX1684 开关调节器。这款器件能够从 4V 至 12V 输入产生 3.3V、1A 输出，效率可达 97%。内置 300kHz 振荡器和 MOSFET，简单易用。
　　为了满足低电压、低功耗 IC 的需求，可以选择高效的 buck 调节器升级现有的逻辑板。这些电路板通常提供 3.3V 电源，但需要 1.8V 电源为新的低压逻辑电路供电。利用线性稳压器可以方便地把 3.3V 电压转换成 1.8V，但当负载电流较大时会消耗较大功率，这在许多应用中是无法接受的。例如，需要 2A 输出电流时，线性稳压器的功耗将达到 3W，需要加装散热片。此时，MAX1830 高效率开关电源（图 3）能够以大于 90%的效率提供 20mA 至 2A 的输出电流，无需外部 MOSFET，也不需要散热片。
　　
　　图 3. MAX1830 开关调节器以高于 90%的效率将 3.3V 电源转换成 1.8V，输出电流范围为 20mA 至 2A，无需外部 MOSFET。
　　MAX1830 采用微小的 16 引脚 QSOP 封装，输入电压范围为 3V 至 5.5V。其静态工作电流为 325µA，待机模式下只有 0.2µA。较高的开关频率（高达 1MHz）允许外部使用小尺寸、低成本的表贴元件。
　　多输出开关调节器用于多电源供电系统，例如，在笔记本电脑中产生 VCC，可以使用 MAX1999，能够产生四路稳压输出（图 4）。
　　
　　图 4. MAX1999 开关调节器产生四路输出电压，其中包括两路高效率的大功率开关调节器和两个低功率 LDO。它还包含电源就绪输出、关断控制、限流以及引脚可编程的上电顺序等功能。
　　数据转换器
　　A/D 转换器
　　在便携设备中，低功耗对于 A/D 转换器（ADC）来说非常重要。这些应用通常要求高速转换，而高速与低功耗在系统设计中是相互矛盾的两个因素。针对这类需求，Maxim 开发了一系列能够在采样期间保持合理的电流损耗，而在关断期间具有极低电流损耗的 ADC。从而使转换器不必连续工作，节省系统功耗。
　　例如，MAX1115 能够每秒钟转换 100k 次采样。工作在+3V 时仅消耗 175µA 电流；自动关断模式下仅消耗 1µA 电流。这样，MAX1115 能够在间断性采样的应用中节省大量功耗（图 5）。
　　
　　图 5. 通过在两次数据转换之间进入 1µA 低功耗关断模式，MAX1115 8 位 ADC 能够大大降低电源电流。
　　手机中的信号强度测量（RSSI：接收信号强度测量）是这类应用的一个典型案例，MAX1115 以 2ksps 的速率量化信号，仅从 3V 电源消耗 2µA 电流。整体系统误差（失调、积分非线性、增益误差之和）小于 1 LSB，SINAD （信号与噪声 + 失真比）低于 48dB。
　　D/A 转换器
　　新型 D/A 转换器（DAC）使得低压数字系统能够产生模拟输出。便携应用中，要求这些 IC 具有极低功耗并占用极小的电路板空间。例如，低成本的 MAX5811 即为一个 10 位、电压输出的 DAC，工作电流只有 170µA，关断模式下电流低至 1µA，非常适合便携式应用。串行数据控制允许其集成到 SOT23 封装内。
　　MAX5811 采用 2.7V 单电源供电，提供满摆幅输出。非常适合失调电压调整、设置偏置点调节电流（或电压）等低成本应用，也可以在其它电路中设置稳压输出。
　　运算放大器和电流监测器
　　运算放大器中，降低供电电压会减小输出电压摆幅，进而降低信噪比（SNR）。考虑到这一因素，很多低压运放为了保持较高的 SNR，通常需要提供满摆幅输出。同样，许多运放还具有满摆幅输入电压范围（可以达到单电源或双电源摆幅）。
　　低压工作不仅降低了信号范围，噪底的提升也使 SNR 指标更加受限。低压放大器设计要求消耗极低的电流，这会造成更大的放大器噪声。此外，由于使用大阻值反馈电阻（限制系统的电源电流），也会增大噪声。
　　在更加复杂的情况下，高阻抗节点很容易通过耦合电容从高速数字信号拾取噪声。因此，高阻引线应尽可能短，并使其远离高速数字信号线。
　　值得注意的是，低压运放存在一些相互排斥的特性，包括低电源电流、低失调电压和高速。例如，MAX4236A +3V 供电系列产品具有 1.7MHz 的增益带宽积、20µV 的失调电压和 350µA 的电源电流。输入共模电压范围可以达到负压，且满摆幅输出。这些特性使 MAX4236A 系列运算放大器非常适合在低压、电池供电产品中用作仪表放大器。
　　Maxim 的运算放大器产品线还提供双向、高边电流检测放大器，例如：工作电压为+2.7V 的 MAX4069 系列（图 6）。这些电流检测放大器采用高边检流电阻，从而避免了接地问题，芯片采用 8/10 引脚µMAX®封装。
　　
　　图 6. MAX4070 双向检流放大器构成完备的电流至电压转换器
　　便携产品设计中需要节约每一微安的电流，一些低电压微功耗运算放大器能够显著降低电源电流。+1.4V 供电的 MAX4036/MAX4038 和+1.8V 供电的 MAX4474 运算放大器具有 1.2µA （最大值）的极低功耗。提供满摆幅输出，输入范围可扩展至负压。
　　当运算放大器工作在低压电源时，输入共模电压范围和输出电压摆幅受到极大制约。设计低压电路时必需注意这些输入和输出限制，表 3 列出了以上讨论运算放大器的一些数据。
　　表 3. Maxim 部分低压运算放大器参数选型表
　　
　　比较器
　　与低压运算放大器一样，低压比较器需要针对高速、低电源电流和低失调电压进行优化。例如，MAX9100 微功耗比较器能够工作在 1V 至 5.5V 电源范围，仅消耗 12µA （最大值）的电源电流。该器件具有 3.7ms 的传输延时、2mV 失调，输出摆幅可以达到电源电压的 0.3V 以内，共模范围可以扩展到负压。
　　有些应用需要监测电源的输出电压，要求超低功耗。MAX9017A 采用 1.8V 至 5.5V 电源供电，仅消耗 1.2µA （典型值）电源电流，在单一芯片内集成了一个电压基准和一个比较器。

　　微处理器监控电路
　　任何微处理器（µP）系统都需要“监控”管理，以避免出现意想不到的操作。监控电路可以是一个简单的复位发生器，确保上电后通过复位信号使系统在已知条件下启动。当然，许多监控电路还包含了其它功能，例如：备份电池管理、存储器写保护、用于监测软件运行的“看门狗”定时器等。
　　备份电池能够在 VCC 掉电时为一些关键电路（CMOS 存储器、实时时钟等）供电，维持这些器件的正常工作。通过监测 VCC，µP 监控电路决定何时将系统切换到备份电池供电。低压工作时，还会出现一些 5V 系统不存在的工程问题。
　　对于 5V 系统，只是简单地比较 VCC 和备份电池的电压，一旦 VCC 低于电池电压，则将系统切换到备份电池供电。但在低压系统中，这样的操作可能会导致开关失效：备份锂电池的电压通常在 3.6V 左右，高于 3.3V 系统中 VCC 的 3.0V 下限。Maxim 的监控电路允许备份电池电压高于 VCC，只有当 VCC 跌落到所设置的门限时才会切换到电池供电，从而解决了这一问题。
　　MAX823/MAX824 提供电压监测和看门狗定时器，采用 5 引脚 SC70 和 SOT23 封装（图 7）。
　　
　　图 7. MAX823 提供电源电压监测、看门狗、手动复位功能，采用 5 引脚 SC70/SOT23 封装。
　　MAX806R/S/T 包括电池切换电路，能够监测 3V 和 5V VCC 双电源供电系统（图 8）。该电路中，主 VCC 比较器用于监测 3V 电源，电源失效比较器（PFI）用于监测 5V 电源。
　　
　　图 8. 配置如图所示，该µP 监控电路用于监测双电压系统的 5V 和 3V VCC。
　　当 3V VCC 超出容限时，内部电路发出复位信号。5V VCC 触发门限（4.527V 至 4.726V）采用精度为 0.1%的电阻设置；当 5V 电压跌落到门限以下时，电源失效比较器输出（PFO）拉低手动复位输入（MR）。因此，任何超出容限的 VCC 都会导致器件复位。
　　有些 Maxim 的低压监控电路提供片选（CE）功能，用于保护存储器 IC。CE 片选能够在电源失效时屏蔽存储器的读、写操作，保护存储器的内容。例如，MAX792 和 MAX820 具有 CE 片选，通过监控电路的传输延时只有 10ns （较短的传输延时允许使用低速、廉价的存储器，因为 CE 延时占用极短的存储周期）。这些器件还提供手动复位、上电复位、电源失效报警、看门狗定时等功能。
　　低功耗 MAX6741 能够监测两路系统电压，仅消耗 6µA 的电源电流（图 9），该系列的监控电路均可提供推挽式输出或漏极开路输出，采用微型 SC70 封装，检测电压可低至 0.488V。
　　
　　图 9. MAX6741 监测两路电压，任何一路电压跌落到门限以下时将产生复位信号。
　　电压基准
　　对于高精度、低电源电流的低压应用，三端带隙基准是最佳选择。与两端齐纳二极管基准相比，三端基准通常具有更低的电源电流（图 10）。
　　
　　图 10. 三端电压基准，与两端基准不同，电流损耗随着输入电压的变化而变化。
　　为了保持最高 SNR，输出电压应尽可能高，输入与输出之间的压差应尽可能小。例如，当一个 2.5V 基准由 3V ±10%的电源供电时，最好提供至少 200mV 的裕量。MAX6029 高精度、2.5V 基准能够满足这一苛刻要求。它可以接受高达 12V 的输入，仅消耗的 5µA 电源电流。
　　MAX6029 能够源出 4mA、吸收 1mA 的电流，保证 0.7µV/µA （源出）和 5.5µV/µA （吸入）的负载调整率。温漂为 30ppm/°C，在 2.5V 至 12.6V 输入范围内保证 27µV/V （典型值）的电源调整率。
　　模拟开关
　　最近几年，低压模拟开关的精度有了显著提高，MAX4651/MAX4652/MAX4653 四通道、4Ω、单刀 / 单掷（SPST）模拟开关采用 1.8V 至 5.5V 单电源供电。正如所预期的那样，与高压供电相比，低压工作会造成导通电阻增大，开关速度将低（图 11）。
　　
　　图 11. MAX4653 模拟开关的导通电阻和开关时间
　　接口收发器
　　USB
　　通用串行总线（USB）在计算机和外设中非常通用，总线电压为 5V，许多信号需要连接到更低电压的系统。Maxim 器件能够轻松连接低压逻辑和 USB 电平，处理各种 USB 接口控制信号。MAX3453 能够将 USB 1.1/2.0 连接到 1.65V 至 3.6V 逻辑电平，电源电压可低至 3.1V，非常适合锂电池供电系统的逻辑信号。图 12 给出了低压逻辑与 USB 的一个典型连接，通过 MAX3453 实现。
　　
　　图 12. MAX3453 USB 收发器能够连接低压逻辑和 5V USB 总线，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 也称为 232E （正式名称为 EIA/TIA-232-E），常见于大型主机和微计算机，当时设备普遍采用±12V 供电，最初的 RS-232 收发器同样需要±12V 供电。由于压差的存在，输出电压摆幅可能降至±9V，最低电压为±5V。
　　便携产品和低压设备沿用了新的串口规范，替代传统的 232E、EIA/TIA-562 （简称为 562）标准。新标准于 1991 年生效，562 和 232E 标准电气兼容，即新的 562 设计兼容于现有的 232E 设备，反之亦然。无论是否采用新标准，通常用 RS-232 表示两种标准的任何一种，这已经是行业内的惯例。
　　表 4 给出了 232E 与 562 的规格比较，注意，它们具有不同的驱动器输出摆幅（±5V 与±3.7V），但接收器输入门限相同（±3V）。562 器件±3.7V 的最小输出摆幅允许它们与 232 接收器通信，其输入门限为±3V。当然，此时的噪声容限只有 0.7V。相比之下，232 驱动器±5V 的最小输出摆幅则提供了 2V 噪声裕量。
　　表 4. 232E 与 562 接口标准比较
　　
　　Maxim 新推出的 RS-232 器件内部集成了电荷泵转换器，只需几个外部电容，能够工作在更低的电源电压。许多 Maxim 的 RS-232 器件具有自动关断功能，通过 RS-232 通信信号“唤醒”之前耗电只有 1µA。MAX3381E （图 13）工作电压可低至 2.35V，确保支持 250kbps 的数据速率，内置±15kV ESD 保护。两路接收器在 1µA 关断模式下保持有效，使得芯片能够在极低功耗下监测外部设备。MAX218 （图中没有画出）能够工作在低至+1.8V 的电源电压，内部采用开关模式电源转换器，外部需要一个电感、一个二极管和几个电容。
　　
　　图 13. 该低压接口 IC 内部集成了电荷泵转换器，能够产生 RS-232 通信所需要的电压。