用于低压系统的模拟IC

本文介绍低压IC的本文讨论了多种类型的低压IC，包括稳压器、数据转换器、运算放大器和电流监视器、比较器、微处理器监控器、基准电压源、模拟开关和接口收发器。它还提供了有关节能以及如何管理与低压操作相关的问题的信息。

介绍

低电压最适合用于尺寸、重量和功耗特别关键的系统，如PDA、手机和其他电池供电的便携式设备。低电压也有利于线路供电系统，因为与较低电压操作相关的低功耗允许使用较小的电源、散热器和风扇。

Maxim的许多产品系列均提供低压IC，包括运算放大器、比较器、微处理器监控器、接口、数据转换器、模拟开关和多路复用器、基准电压源、DC-DC转换器、数字电位计和定时元件，如实时时钟。

本讨论涵盖了上述许多模拟IC系列、其工作固有的节能，以及如何处理与低压操作相关的一些问题。它还介绍了从5V电源产生较低电压的方法。表1给出了Maxim的1.8V、2.5V、3.0V和3.3V集成电路。

 

类别	1.8V	2.5V	3V	3.3V
微P监控器	MAX6326	MAX6742	MAX6745	MAX6745
模数转换器	MAX11905	MAX1462	MAX11214	MAX11214
模拟开关	MAX4695	MAX4644	MAX4653	MAX4592
电荷泵电压转换器	—	MAX619	MAX1673	MAX1730
基于电感的升压稳压器	MAX1687	MAX1706	MAX1678	MAX1709
基于电感的降压型稳压器	MAX1928	MAX1928	MAX1921	MAX1921
比较器，快速	MAX9647	MAX9647	MAX9647	MAX9647
比较器，低电流	MAX9092	MAX9092	MAX9092	MAX9092
比较器，低失调	MAX44269	MAX44269	MAX44269	MAX44269
数模转换器	MAX5522	MAX5523	MAX5318	MAX5318
数字电位器	—	DS4301	MAX5408	MAX5408
线性稳压器	MAX1589	MAX1818	MAX1589	MAX1818
多路复用器	MAX4638	MAX4638	MAX4639	MAX4701
运算放大器，快速	MAX44290	MAX44290	MAX44290	MAX44290
运算放大器，低电流	MAX44264	MAX44264	MAX44264	MAX44264
运算放大器，低失调	MAX44290	MAX44290	MAX44290	MAX44290
实时时钟	DS1375	DS1375	DS1375	DS1375
引用	MAX6018A	MAX6029	MAX6126	MAX6126
RS-232	MAX218	MAX3381E	MAX3322E	MAX3232E
RS-485	—	MAX3471	MAX3471	MAX3076E
USB	MAX3453	MAX3453	MAX3453	MAX3453

 

通过低电压运行节省功耗

通过将系统电源电压从5V降低到较低的值，可以节省大量功率。对于阻性和容性负载，节省的功率与电压的平方成正比。对于基准电压源和运算放大器等恒流负载，节省是线性的。对于硬盘驱动器等恒定功率负载，切换到低电压不会节省功耗，而是要求器件在较低的输入电压下工作。表2总结了与5V系统相比，低压系统提供的节能效果。

 

负载类型	省 电公式	与 5V 相比节能 （%）
		1.8V 工作电压	2.5V 工作电压	3V 工作电压	3.3V 工作电压
电阻	（1 - （V / 5）²） x 100	87	75	64	56
电容的	（1 - （V / 5）²） x 100	87	75	64	56
恒流	（V / 5） x 100	64	50	40	34

 

电压调节

有关稳压器的一般信息

Maxim拥有数十种稳压器，可产生低压或将低电压转换为其他电平。它们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稳压器。

低压差线性稳压器（LDO）使用简单，需要大于输出的输入电压，并调节高达4A的输出电流。与开关稳压器相比，LDO 噪声更小，成本更低，但随着施加的输入电压升高，它们会消耗更多的功率（并产生更多的热量）。然而，线性稳压器对于具有低输入至输出电压差的应用（效率与V成正比）非常有效外/V在).

电荷泵转换器可以将直流电压提升到更高的值，或产生与输入电压相反的极性电压。它们使用电容器进行能量存储，并提供小型、低成本的 DC-DC 转换电路。但是，它们的输出电流限制在0.75A以下，因此仅限于低功耗应用。

基于电感的开关稳压器提供低功率和高功率 DC-DC 电压转换，并且可以升压（升压）或降压（降压）输入电压。Maxim的升压稳压器提供高达4A的输出电流，降压稳压器提供高达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大于输出电压。输入电压和输出电压之间的最小要求差值称为压差。现代线性稳压器的压差远低于早期线性稳压器（如LM7905），因此被称为低压差稳压器或LDO。Maxim提供多种LDO，预设正输出电压低至0.75V，可调电压低至0.5V。我们还提供输出范围为 -2.5V 至 -5V 的负 LDO。

LDO 使调节到低直流电压变得简单而经济。MAX1589 LDO系列简单易用，具有0.75V至3.0V的预设输出电压，在0mA输出电流下工作在小于175.500V的压差。MAX1818 LDO系列还提供1.5V至5.0V的预设输出电压、500mA输出电流，并具有低至1.25V的可调输出电压和仅0.12V的压差，输出电流为500mA。

图1.MAX1589 500mA LDO具有0.75V、1.0V、1.3V、1.5V、2.5V和3.0V预设输出。MAX1818 500mA LDO具有1.5V、1.8V、2.0V、2.5V、3.3V和5.0V预设输出或1.25V至5V可调输出。

MAX8510 LDO系列具有便携式设备设计中的重要特性：小尺寸（SC70）、低压差（120mV/120mA）和低电源电流（最大90μA）。MAX8510/MAX8511预设为1.5V至4.5V的各种输出电压，MAX8512的输出电压可通过外部分压器调节。

电荷泵电压转换器

对于低电流应用，将 3V 升压至 5V 的最简单解决方案是基于电容器的稳压电荷泵（图 2）。行业标准的 7660 和大多数其他电荷泵不调节 V外，但MAX619包括一个模拟基准和误差放大器，其输出控制一组连接到外部电容的内部开关。开关电容网络可以双倍或三倍 V在，MAX619通过在这些工作模式之间切换进行调节。如图所示，对于20V至5.4V输入，该电路在2V时产生3mA电流±6%。对于3.0V至3.6V之间的输入，输出电流能力为50mA。

图2.MAX0稳压电荷泵转换器占用不到1.2in619的电路板空间，在20V时产生5mA电流±4%电流，2V至3.6V输入电压为50mA。

MAX5008稳压5V USB电荷泵提供高达125mA的输出电流，电源电压低至2.9V，适用于采用3.0V或3.3V电源的USB主机设备。

处理双极性信号的系统通常需要负电源，必要时可以在本地产生负电源。一个简单的解决方案是使用电荷泵反相器，如MAX889。

基于电感的开关模式稳压器

开关稳压器提供单路或多路输出。根据输出功率电平，这些器件由脉冲频率调制 （PFM） 和/或脉宽调制 （PWM） 控制。PFM 控制方案可在轻负载条件下实现高效率，允许稳压器在低至 10μA 的静态电源电流下工作。PWM 方案消耗更多功率，但它们允许固定频率操作，以更好地控制噪声和 EMI。一些转换器根据控制信号或负载电流电平在两种控制方案之间切换。

虽然 LDO 对于低值 （V在， w外），许多应用的输入电压明显高于输出电压。在这种情况下，效率决定了使用降压开关稳压器。无线电和蜂窝电话等RF应用可以轻松使用开关稳压器，但必须注意避免在敏感的IF频率处引入噪声。

RF应用的理想选择是MAX1684开关稳压器。该器件从 1V 至 3V 输入提供 3A /4.12V，效率高达 97%，具有一个 300kHz 内部振荡器，并具有内部 MOSFET 以方便使用。

高效降压稳压器也是升级现有逻辑板以适应低电压、低功耗IC的理想选择。这些电路板通常具有 3.3V 的电压，但它们需要 1.8V 电源用于新的低压逻辑。线性稳压器可轻松将 3.3V 转换为 1.8V，但对于较高的负载电流，功耗过高。例如，在2A时，线性稳压器将耗散3W，并且需要一个散热器。然而，MAX1830高效开关稳压器（图3）可提供20mA至2A电流，效率超过90%，无需外部MOSFET，因此无需散热器。

图3.MAX1830开关稳压器可在3mA至3A范围内将1.8V转换为90.20V，效率高于2%，无需外部MOSFET。

MAX1830采用非常小的16引脚QSOP封装，输入范围为3V至5.5V。在待机模式下，其静态工作电流从 325μA 降至仅 0.2μA。高开关频率（高达 1MHz）允许该器件采用小型、低成本、表面贴装元件工作。

多输出开关稳压器适用于设计为采用多个电源工作的系统。V生成等应用抄送例如，MAX1999可以很好地处理笔记本电脑中的电压，它产生四个稳定的电源电压（图4）。

图4.MAX1999开关稳压器产生<>路输出电压，具有<>路高效、高功率开关模式稳压器和<>路低功耗线性稳压器。它还包括电源就绪输出、关断控制、电流限制和引脚可编程上电排序。

数据转换器

模数转换器

低功耗对于在便携式设备中运行的模数转换器（ADC）至关重要。这些应用通常需要高速，但高速和低功耗往往是相互排斥的。因此，Maxim生产的ADC在采集数据时消耗适中的电源电流，但在关断时消耗非常低的电流。其结果是无需连续运行的转换器可节省功耗。

例如，MAX11214具有睡眠和待机电流模式。该器件采用 2.7V 至 3.6V 电源工作，工作电流仅为 2.6mA （典型值），在自动关断模式下仅消耗 1.5μA 电流。

数模转换器

现代数模转换器（DAC）允许低压数字系统产生模拟输出。这些IC适用于便携式应用，需要非常小的电源和电路板面积。例如，低成本MAX5217是一款16位、电压输出DAC，具有80μA低工作电流，非常适合便携式应用。

MAX5217采用2.7V单电源供电，输出摆幅为满摆幅。它是低成本应用的理想选择，例如调整失调电压、设置可调电流（或电压）源的偏置点以及设置其他电路中的调节点。

运算放大器和电流监视器

在运算放大器中，降低电源操作通过减小输出电压摆幅来降低信噪比（SNR）。因此，许多低压运算放大器提供轨到轨输出摆幅作为保持SNR的一种手段。出于同样的原因，许多器件的输入电压范围包括一个或两个电源轨。

低电压工作不仅会缩小信号范围，还会通过提高本底噪声来进一步压缩SNR。低压放大器通常设计为消耗低电源电流，这会导致放大器噪声水平更高。此外，反馈电阻具有更高的值（以限制系统电源电流），这也会增加噪声。

更复杂的是，高阻抗节点更有可能通过电容耦合从高速数字信号中拾取噪声。因此，高阻抗走线应保持较短，并与高速数字走线保持物理距离。

值得注意且有些相互排斥的低压运算放大器特性包括低电源电流、低失调电压和高速。例如，MAX40100集成了1.5MHz增益带宽积和10μV失调电压以及66μA低电源电流。这些特性使MAX40100运算放大器可用作低压、电池供电系统中的仪表放大器。

Maxim的运算放大器系列还具有精密电流检测放大器，如+1.6V MAX44286系列。这些电流检测放大器采用高边电流检测电阻器，采用 4 个凸块 ALP 封装，从而最大限度地减少接地问题。

对于必须节省每个微安电流的便携式应用，一些低压、微功耗运算放大器可提供非常低的电源电流。MAX44281运算放大器在800μA （最大值）时功耗极低。

当采用低压电源为运算放大器供电时，输入共模电压范围和输出电压摆幅通常会受到挤压。在设计低压电路时，必须注意遵守这些输入和输出限制。

 

部分	电源电压 范围 （V）	电源电流 （μA，典型值/最大值）	输入共模 电压范围 （V）	输出电压 摆动（V，典型值）
MAX4036/MAX4038	1.4 到 3.6	0.8/1.2	V党卫军至 （VDD- 0.4)	（五党卫军+ 0.002） 至 （VDD- 0.002)
MAX4069	2，7 到 24	100/250	1，35 到 24	（五党卫军+ 0.1） 至 （VDD- 0.09)
MAX4070	3，6 到 24	100/250	1，35 到 24	（五党卫军+ 0.1） 至 （VDD- 0.09)
MAX4236A	2.4 到 5.5	350/440	-0.15 至 （可变资本 - 1.2）	（五电子电气+ 0.05） 至 （V抄送- 0.15)
MAX4474	1.8 到 5.5	0.75/1.2	V党卫军至 （VDD- 1.1)	（五党卫军+ 0.001） 至 （VDD- 0.004)

 

比较

与低压运算放大器一样，低压比较器包括针对高速、低电源电流和低失调电压单独优化的产品。例如，MAX44269为双通道比较器，采用1.8 V单电源供电，每个比较器仅消耗0.5μA （典型值）电源电流。

某些应用，例如监控电源的输出电压，需要超低功耗。MAX9025工作在1.8V至5.5V电源，仅消耗0.6μA （典型值）的电源电流，并在单封装中集成了基准电压源和比较器。

微处理器监控电路

所有微处理器（μP）系统都需要某种形式的“监督”来防止不稳定的操作。监控器可以像复位发生器一样简单，通过在通电后发出系统复位来确保已知的启动条件。但许多监控器还包括其他功能，例如备用电池管理、内存写入保护和用于监控软件执行的“看门狗”定时器。

例如，备用电池可确保在V抄送不存在。通过监控V抄送，μP 监控器决定何时将系统切换到备用电池。然而，低电压工作带来了5V系统中不存在的工程问题。

五伏系统只需比较 V抄送带备用电压，并在 V 时切换到备用抄送更低。但是，这种方法可能会导致低压系统中的错误切换：锂备用电池在新鲜时测量高达3.6V，高于V的3.0V限制抄送在 3.3V 系统中。Maxim的监控器允许备用电压超过V，从而避免了这个问题。抄送，并且仅在 V 时启动切换抄送低于选定的阈值。

MAX823/MAX824提供电压监视器和看门狗定时器，采用5引脚SC70和SOT23封装（图5）。

图5.MAX823提供电源电压监测器、看门狗和手动复位功能，全部采用5引脚SC70/SOT23封装。

MAX806R/S/T包括电池切换电路，可监测3V和5V V抄送双电压系统中的电压（图 6）。在该电路中，主V.抄送比较器监视 3V 电源，电源故障 （PFI） 比较器监视 5V 电源。

图6.如图所示配置，该μP监控器可监控5V和3V V抄送在双电压系统中。

当 3V V 时，内部电路发出复位抄送超出容忍范围。The 5V V抄送跳变门限（4.527V至4.726V）由0.1%电阻设定;当5V电压超出容差时，电源失效比较器输出（PFO）下拉手动复位输入（MR）。因此，任一 V 的超差条件抄送导致芯片发出复位。

Maxim的部分低压监控器通过芯片使能（CE）门控保护存储器IC。CE 门控使管理引擎能够通过在电源故障期间阻止读取和写入操作来保护内存。例如，MAX792和MAX820具有CE选通功能，通过监控器的传播延迟仅为10ns。（较短的延迟允许更慢、更便宜的存储器，因为CE延迟占用的存储器周期时间更少。这些器件还提供手动复位、上电复位、电源故障警告和看门狗定时功能。

低功耗MAX6741监视两个系统电压，仅需要6μA电源电流（图7）。该监控器系列的所有成员均提供推挽式或漏极开路输出，采用微型SC70封装，可监控低至0.488V的电压。

图7.MAX6741监测两个电压，如果任何一个电压超出容差，则产生复位信号。

电压基准

当指定具有最小电源电流的精密、低压基准时，三端带隙基准是最佳选择。三端基准电压源通常提供比双端子齐纳二极管更低的工作电流（图 8）。

图8.与两端类型不同，三端基准电压源会随着输入电压的变化而吸收恒定的电源电流。

输出电压应尽可能高以获得最大SNR，输入至输出电压差应较低。例如，由2V±5%供电的3.10V基准必须在低至200mV的裕量下工作。MAX6029精密2.5V基准满足这一严格要求。它接受高达 12V 的输入，仅吸收 5μA 的电源电流。

MAX6029可以源出4mA电流，吸收1mA电流，相应的负载保证调节为0.7μV/μA （源极）和5.5μV/μA （灌电流）。温度漂移为 30ppm/°C，在 27.2V 至 5.12V 输入范围内，线路调整率典型值为 6μV/V。

模拟开关

近年来，具有保证精度的低压模拟开关得到了显着改善。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。正如预期的那样，与高压电源相比，较低电压操作产生的导通电阻略高，开关速度略低（图 9）。

图9.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）在计算机和外围设备上非常常见，虽然总线工作在5V，但许多需要与总线接口的信号在较低的电压下工作。Maxim制造出连接低压逻辑和USB电压电平的器件，并处理各种USB接口特定的控制信号。MAX3453将USB 1.1/2.0连接至1.65V至3.6V的逻辑电平，可接受低至3.1V的电源，非常适合锂电池供电的逻辑信号。图10所示为使用MAX3453将低压逻辑连接至USB的典型电路。

图 10.MAX3453 USB收发器将低压逻辑与5V USB总线连接，完全符合USB 1.1/2.0标准，速率为12Mbps和1.5Mbps。

RS-232 和 RS-485

RS-232，也称为232E（正式EIA/TIA-232-E），出现在大型机和微型计算机的时代，当时±12V电源很常见，最初的RS-232收发器需要±12V才能运行。压降将输出摆幅降低到约±9V，因此所需的最小值设置得更低，为±5V。

便携式和低压设备的出现催生了新的串行接口规范，以取代旧的232E标准EIA/TIA-562（为简洁起见，562）。该新标准于1991年生效。562 和 232E 标准在电气上兼容，因此新的 562 设计将与现有的 232E 设备配合使用，反之亦然。尽管有新标准，但RS-232一词仍然存在，并且在宽松的说法中已经意味着两者或其中一种标准。

表 232 中显示了某些 562E 和 3 规格的比较。请注意，驱动器输出摆幅不同（±5V与±3.7V），但接收器输入门限相同（±3V）。562 器件的最小输出摆幅为 ±3.7V，允许它们与 232 个接收器通信，这些接收器的输入门限为 ±3V。然而，噪声容限仅为0.7V。相比之下，232个驱动器的最小摆幅为±5V，保证了2V的噪声容限。

 

参数	EIA-232E	EIA-562
操作模式	单端	单端
每条数据线允许的发射器和接收器数量	1 发射，1 接收	1 发射，1 接收
最大电缆长度	C < 2500pF	C < 2500pF，数据速率< 20kb/s，C < 1000pF，数据速率> 20kb/s
最大数据速率（kb/s）	20	64
驱动器输出电压，负载 （V）	最低
	±5	±3.7
	最大
	±15	±13.2
最大驱动器短路电流 （mA）	500	60
发射机负载阻抗（kΩ）	3 到 7	3 到 7
瞬时压摆率 （V/μs）	< 30	< 30
接收器输入阈值（灵敏度）（V）	±3	±3
接收器输入电阻 （kΩ）	3 到 7	3 到 7
接收器输入范围 （V）	±25	±25

 

大多数采用低压电源的现代Maxim RS-232器件都采用电压递增电荷泵转换器，有时需要外部电容。许多Maxim RS-232器件具有自动关断功能，在被RS-1通信信号“唤醒”之前仅消耗232μA电流。 MAX3381E（图11）工作在低至2.35V，保证数据速率为250kbps，内置±15kVESD保护。其两个接收器在 1μA 关断模式下保持活动状态，使芯片能够在消耗少量功率的同时监控外部器件。MAX218（未显示）工作电压低至+1.8V，采用开关模式电源转换器，需要外部电感、二极管和几个电容。

图 11.该低压接口IC包括一个电荷泵转换器，可产生RS-232通信所需的电压。

审核编辑：郭婷