LDO稳压器对嵌入式系统掉电保护作用的研究

2016-04-05程万前郭少艾郭月俊

电源技术 2016年6期

关键词：稳压器嵌入式线性

程万前，阮慧，郭少艾，郭月俊，王彪

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.中国科学院大学，北京100049)

LDO稳压器对嵌入式系统掉电保护作用的研究

程万前1,2，阮慧1,2，郭少艾1,2，郭月俊1,2，王彪1

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.中国科学院大学，北京100049)

针对嵌入式系统掉电保护的问题，对低压差(LDO)线性稳压器对系统掉电保护的作用进行了研究。实验以基于LPC2138的嵌入式系统为例，测试了压降不同的3款稳压器对系统掉电后工作时间的影响。通过分析实验数据，得出结论：低压降的LDO线性稳压器相对普通的稳压器具有显著的优势，系统掉电后，它能够为系统提供更加充足的时间向外部存储设备写入重要信息。

LDO稳压器；掉电保护；嵌入式系统；LPC2138

嵌入式系统在工程中的应用广泛，而电源部件是构成它的重要组成部分，其系统的掉电保护成为备受重视的问题[1-7]。国内对该问题的研究成果也比较丰富，目前工程中经常采用增加备用电源、使用专业掉电保护芯片等解决方案。增加备用电源可以让系统在掉电后依然正常工作，然而该方案有占用体积大、使用寿命短等缺点，在系统掉电后只需要保存数据的场合下，它是不必要的[8]；虽然使用专业掉电保护芯片能有效增加系统掉电后的工作时间，但是该方案会增加设计成本，使电路变得更加复杂。在实际应用中，往往只需要占用极短的时间在系统掉电后存储一些重要数据，此时采用性能优异的低压差(low dropout,LDO)线性稳压器配合掉电检测芯片，即可完成系统的掉电保护。

LDO线性稳压器是一种微功耗的线性稳压器，它具有低压降、低噪声、低功耗、小封装等突出优点，这使它广泛应用于嵌入式系统的设计中[9]。LDO线性稳压器的压差低于普通的稳压芯片，因此在系统掉电时，它的持续工作时间也比普通稳压芯片的时间长。

1 实验设计

实验设计如图1所示，选取ARM7微处理器LPC2138作为测试芯片。供电电压接入掉电检测单元，输出掉电信号接入LPC2138的外部中断接口中。当系统掉电时，掉电检测单元输出低电平信号，触发外部中断。中断触发后，LPC2138产生高频的方波输出信号，直到系统无法工作为止。实验中将输出掉电信号、输出方波信号和3.3 V供电电压接入示波器，来观察系统掉电后的工作过程。测试出的输出方波信号的持续时间即为系统掉电后的工作时间。

图1 实验设计框图

掉电检测电路采用TPS3707设计完成。TPS3707是带掉电检测功能的处理器管理芯片，它内部包含一个电压比较器，将PFI(4脚)输入电压与1.25 V基准电压进行比较，并通过(5脚)输出。当系统掉电时由于供电电压降低，端输出低电平。系统掉电检测电路如图2所示。

实验选取3款LDO稳压器进行比较：AMS1117、CAT6219和TPS7A4533。AMS1117的压降为1 V，是普通的稳压器。CAT6219是500 mA电流输出的CMOS低压降稳压器，其压降为300 mV。TPS7A4533为TI公司的1.5 A低压降稳压器，其压降为300 mV。为了模拟系统意外掉电的情况，实验采用台湾固纬多功能线性直流电源供应器GPD-3303S，该电源最小分辨率可达1 mV/1 mA，通过旋转编码进行控制。

2 结果分析

3种稳压芯片的测试波形如图3、图4、图5所示，图中逻辑分析仪通道7为TPS3707的输出信号，通道5为LPC2138的输出方波信号，这两路信号指示系统掉电后的工作时间；CH1为稳压器的输出信号，它用于指示系统掉电后输出电压下降的过程。从中可以看出，采用LDO线性稳压器后，系统掉电后电压下降的过程会明显延缓。经过整理的测试数据如表1所示。采用AMS1117作为系统稳压芯片时，系统掉电后的工作时间在 4.4 ms左右，而采用更低压降的 CAT6219、TPS7A4533后，系统掉电后的工作时间均在8 ms以上。通过实验可以得出结论：采用低压降的LDO降压转换器作为供电芯片，能够有效延长系统掉电后的工作时间。

图3 AMS1117实验测试数据

图4 CAT6219实验测试数据

图5 TPS7A4533实验测试数据

表1 掉电检测电路实验数据 ms

3 功能测试

为了进一步测试电路的工作性能，设计进行了掉电时的存储功能测试。使用LDO对系统进行掉电存储，当中断触发时，LPC2138先向16 kB铁电存储器FM25CL16B写入8字节数据。经过测试，系统掉电后的工作波形如图6所示，其中逻辑分析仪通道0为输出掉电信后，通道5为向存储器中写数据的信号，4端为LPC2138的输出方波信号。从中可以看出，向铁电存储器写入8字节数据占用的时间极短，仅为130 μs。经过计算，采用AMS1117作为供电芯片可以使系统在掉电后写入240字节左右的数据，而采用压降为300 mV的低压降LDO线性稳压器以后，系统可以在掉电后向存储器写入450字节以上的数据。

图6 掉电后数据存储实测波形

4 总结

采用低压降的LDO线性稳压器可以明显延长系统掉电后的工作时间，使得中央处理器能够向存储器中写入更多的数据。由LDO线性稳压器结合掉电检测芯片组成的掉电保护电路结构简单，具有优良的实用效果，可作为一个重要的组成部分应用到嵌入式系统当中。

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Research on effects of LDO regulators on power-down protection of embedded system

Focused on the power fail safeguard in embedded system,the effects of LDO regulators on power-down protection were introduced.The relationship between the LDO regulators and the operating time of system after power down was tested.The experiment was based on LPC2138 system and the difference of operating time after power down was tested when using different regulators.After analyzing the data, the results show that LDO regulators can provide enough time for system to write important data to storage device.

LDO regulator;power fail protection;embedded system;LPC2138

TM 643

1002-087 X(2016)06-1290-03