對于現在一個(gè)電子系統來(lái)說(shuō)，電源部分的設計也越來(lái)越重要，我想通過(guò)和大家探討一些自己關(guān)于電源設計的心得，來(lái)個(gè)拋磚引玉，讓我們在電源設計方面能夠都有所深入和長(cháng)進(jìn)。
Q1：如何來(lái)評估一個(gè)系統的電源需求
Answer：對于一個(gè)實(shí)際的電子系統，要認真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細考慮總的功耗，電源實(shí)現的效率，電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應能力，關(guān)鍵器件對電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應的允許的電源紋波，還有散熱問(wèn)題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負載功耗相同的情況下總功耗就少，對于整個(gè)系統的功率預算就非常有利了，對比LDO和開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評估效率不僅僅是看在滿(mǎn)負載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負載的時(shí)候效率水平。
至于負載瞬態(tài)響應能力，對于一些高性能的CPU應用就會(huì )有嚴格的要求，因為當CPU突然開(kāi)始運行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的啟動(dòng)電流是很大的，如果電源電路響應速度不夠，造成瞬間電壓下降過(guò)多過(guò)低，造成CPU運行出錯。
一般來(lái)說(shuō)，要求的電源實(shí)際值多為標稱(chēng)值的+-5%，所以可以據此計算出允許的電源紋波，當然要預留余量的。
散熱問(wèn)題對于那些大電流電源和LDO來(lái)說(shuō)比較重要，通過(guò)計算也是可以評估是否合適的。
Q2：如何選擇合適的電源實(shí)現電路
Answer：根據分析系統需求得出的具體技術(shù)指標，可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現電路了。一般對于弱電部分，包括了LDO(線(xiàn)性電源轉換器)，開(kāi)關(guān)電源電容降壓轉換器和開(kāi)關(guān)電源電感電容轉換器。相比之下，LDO設計最易實(shí)現，輸出紋波小，但缺點(diǎn)是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開(kāi)關(guān)電源不大等等。而開(kāi)關(guān)電源電路設計靈活，效率高，但紋波大，實(shí)現比較復雜，調試比較煩瑣等等。
Q3：如何為開(kāi)關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數
Answer：很多的未使用過(guò)開(kāi)關(guān)電源設計的工程師會(huì )對它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔心開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題，PCB layout問(wèn)題，元器件的參數和類(lèi)型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了，使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設計還是非常方便的。
一個(gè)開(kāi)關(guān)電源一般包含有開(kāi)關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會(huì )將MOSFET集成到芯片中去，這樣使用就更簡(jiǎn)單了，也簡(jiǎn)化了PCB設計，但是設計的靈活性就減少了一些。
開(kāi)關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統，所以一般都會(huì )有一個(gè)反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設計在于保證精確的采樣電路，還有來(lái)控制反饋深度，因為如果反饋環(huán)響應過(guò)慢的話(huà)，對瞬態(tài)響應能力是會(huì )有很多影響的。
而輸出部分設計包含了輸出電容，輸出電感以及MOSFET等等，這些的選擇基本上就是要滿(mǎn)足一個(gè)性能和成本的平衡，比如高的開(kāi)關(guān)頻率就可以使用小的電感值(意味著(zhù)小的封裝和便宜的成本)，但是高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )增加干擾和對MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的結果則是相反的。
對于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數選擇也是非常關(guān)鍵的，小的ESR可以減小輸出紋波，但是電容成本會(huì )增加，好的電容會(huì )貴嘛。開(kāi)關(guān)電源控制器驅動(dòng)能力也要注意，過(guò)多的MOSFET是不能被良好驅動(dòng)的。
一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源控制器的供應商會(huì )提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒的。
Q4：如何調試開(kāi)關(guān)電源電路
Answer：有一些經(jīng)驗可以共享給大家
1: 電源電路的輸出輸出通過(guò)低阻值大功率電阻接到板內，這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調試，避開(kāi)后面電路的影響。
2: 一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)控制器是閉環(huán)系統，如果輸出惡化的情況超過(guò)了閉環(huán)可以控制的范圍，開(kāi)關(guān)電源就會(huì )工作不正常，所以這種情況就需要認真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大ESR值的輸出電容，會(huì )產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會(huì )影響開(kāi)關(guān)電源的工作的。
接地技術(shù)的討論
Q1：為什么要接地?
Answer：接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過(guò)避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時(shí)，接地也是保護人身安全的一種有效手段，當某種原因引起的相線(xiàn)(如電線(xiàn)絕緣不良，線(xiàn)路老化等)和設備外殼碰觸時(shí)，設備的外殼就會(huì )有危險電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì )流經(jīng)PE線(xiàn)到大地，從而起到保護作用。隨著(zhù)電子通信和其它數字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿(mǎn)足要求了。比如在通信系統中，大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個(gè)基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著(zhù)電子設備的復雜化，信號頻率越來(lái)越高，因此，在接地設計中，信號之間的互擾等電磁兼容問(wèn)題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當就會(huì )嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性。最近，高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了 “地”的概念。
Q2：接地的定義
Answer: 在現代接地概念中、對于線(xiàn)路工程師來(lái)說(shuō)，該術(shù)語(yǔ)的含義通常是‘線(xiàn)路電壓的參考點(diǎn)’;對于系統設計師來(lái)說(shuō)，它常常是機柜或機架;對電氣工程師來(lái)說(shuō)，它是綠色安全地線(xiàn)或接到大地的意思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。
Q3：常見(jiàn)的接地符號
Answer: PE,PGND,FG-保護地或機殼;BGND或DC-RETURN-直流-48V(+24V)電源(電池)回流;GND-工作地;DGND-數字地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護地
Q4：合適的接地方式
Answer: 接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類(lèi)型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區分，以及低頻(f<1MHz)電子線(xiàn)路。當設計高頻(f>10MHz)電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板(完整的地平面層)。
Q5：信號回流和跨分割的介紹
Answer：對于一個(gè)電子信號來(lái)說(shuō)，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個(gè)信號回流就變得非常的關(guān)鍵。
第一，根據公式可以知道，輻射強度是和回路面積成正比的，就是說(shuō)回流需要走的路徑越長(cháng)，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。
第二，對于一個(gè)高速信號來(lái)說(shuō)，提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因為PCB上傳輸線(xiàn)的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來(lái)計算的，如果高速線(xiàn)附近有連續的地平面，這樣這條線(xiàn)的阻抗就能保持連續，如果有段線(xiàn)附近沒(méi)有了地參考，這樣阻抗就會(huì )發(fā)生變化，不連續的阻抗從而會(huì )影響到信號的完整性。所以，布線(xiàn)的時(shí)候要把高速線(xiàn)分配到靠近地平面的層，或者高速線(xiàn)旁邊并行走一兩條地線(xiàn)，起到屏蔽和就近提供回流的功能。
第三，為什么說(shuō)布線(xiàn)的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會(huì )很長(cháng)了，容易受到干擾。當然，不是嚴格要求不能跨越電源分割，對于低速的信號是可以的，因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認真檢查，盡量不要跨越，可以通過(guò)調整電源部分的走線(xiàn)。(這是針對多層板多個(gè)電源供應情況說(shuō)的)
Q6：為什么要將模擬地和數字地分開(kāi)，如何分開(kāi)?
Answer：模擬信號和數字信號都要回流到地，因為數字信號變化速度快，從而在數字地上引起的噪聲就會(huì )很大，而模擬信號是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數字地混在一起，噪聲就會(huì )影響到模擬信號。
一般來(lái)說(shuō)，模擬地和數字地要分開(kāi)處理，然后通過(guò)細的走線(xiàn)連在一起，或者單點(diǎn)接在一起�？偟乃枷胧潜M量阻隔數字地上的噪聲竄到模擬地上。當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數字地必須分開(kāi)，如果模擬部分附近的數字地還是很干凈的話(huà)可以合在一起。
Q7：?jiǎn)伟迳系男盘柸绾谓拥?
Answer：對于一般器件來(lái)說(shuō)，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設計后，對于一般信號的接地就非常容易了，基本原則是保證走線(xiàn)的連續性，減少過(guò)孔數量;靠近地平面或者電源平面，等等。
Q8：?jiǎn)伟宓慕涌谄骷绾谓拥?
Answer：有些單板會(huì )有對外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設計得不好也會(huì )影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會(huì )成為對外的電磁干擾源，把板內的噪聲向外發(fā)送。一般來(lái)說(shuō)會(huì )單獨分割出一塊獨立的接口地，與信號地的連接采用細的走線(xiàn)連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細的走線(xiàn)可以用來(lái)阻隔信號地上噪音過(guò)到接口地上來(lái)。同樣的，對接口地和接口電源的濾波也要認真考慮。 |
