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不可多得的電源設(shè)計(jì)心得

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不可多得的電源設(shè)計(jì)心得

對(duì)于現(xiàn)在一個(gè)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 電源適配器部分的設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要， 我想通過(guò)和大家探討一些自己關(guān)于電源適配器設(shè)計(jì)的心得， 來(lái)個(gè)拋磚引玉， 讓我們?cè)?span>電源適配器設(shè)計(jì)方面能夠都有所深入和長(zhǎng)進(jìn)。

Q1： 如何來(lái)評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源適配器需求?
Answer： 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)， 要認(rèn)真的分析它的電源適配器需求。 不僅僅是關(guān)心輸入電壓， 輸出電壓和電流， 還要仔細(xì)考慮總的功耗， 電源適配器實(shí)現(xiàn)的效率， 電源適配器部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力， 關(guān)鍵器件對(duì)電源適配器波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源適配器紋波， 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(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少， 對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了， 對(duì)比LDO 和開(kāi)關(guān)電源適配器， 開(kāi)關(guān)電源適配器的效率要高一些。 同時(shí)， 評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源適配器電路的效率， 還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。
至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力， 對(duì)于一些高性能的 CPU 應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求， 因?yàn)楫?dāng) CPU 突然開(kāi)始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí)， 需要的啟動(dòng)電流是很大的， 如果電源適配器電路響應(yīng)速度不夠， 造成瞬間電壓下降過(guò)多過(guò)低， 造成 CPU 運(yùn)行出錯(cuò)。
一般來(lái)說(shuō)， 要求的電源適配器實(shí)際值多為標(biāo)稱值的+-5%， 所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源適配器紋波， 當(dāng)然要預(yù)留余量的。
散熱問(wèn)題對(duì)于那些大電流電源適配器和 LDO 來(lái)說(shuō)比較重要， 通過(guò)計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。


Q2： 如何選擇合適的電源適配器實(shí)現(xiàn)電路
Answer： 根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)， 可以來(lái)選擇合適的電源適配器實(shí)現(xiàn)電路了。 一般對(duì)于弱電部分， 包括了 LDO(線性電源適配器轉(zhuǎn)換器)， 開(kāi)關(guān)電源適配器電容降壓轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源適配器電感電容轉(zhuǎn)換器。 相比之下， LDO 設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn)， 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)電源適配器不大等等。 而開(kāi)關(guān)電源適配器電路設(shè)計(jì)靈活， 效率高， 但紋波大， 實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜， 調(diào)試比較煩瑣等等。


Q3： 如何為開(kāi)關(guān)電源適配器電路選擇合適的元器件和參數(shù)
Answer： 很多的未使用過(guò)開(kāi)關(guān)電源適配器設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理， 比如擔(dān)心開(kāi)關(guān)電源適配器的干擾問(wèn)題， PCBlayout 問(wèn)題， 元器件的參數(shù)和類型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了， 使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源適配器設(shè)計(jì)還是非常方便的。
一個(gè)開(kāi)關(guān)電源適配器一般包含有開(kāi)關(guān)電源適配器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(shè)計(jì)， 但是設(shè)計(jì)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(tǒng)， 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(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路， 還有來(lái)控制反饋深度， 因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過(guò)慢的話， 對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。
而輸出部分設(shè)計(jì)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(duì) 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(jié)果則是相反的。
對(duì)于輸出電容的 ESR 和 MOSFET 的 Rds_on 參數(shù)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)電源適配器控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意， 過(guò)多的 MOSFET 是不能被良好驅(qū)動(dòng)的。
一般來(lái)說(shuō)， 開(kāi)關(guān)電源適配器控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。


Q4： 如何調(diào)試開(kāi)關(guān)電源適配器電路
Answer： 有一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家
1: 電源適配器電路的輸出輸出通過(guò)低阻值大功率電阻接到板內(nèi)， 這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源適配器電路的先調(diào)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(tǒng)， 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)電源適配器就會(huì)工作不正常， 所以這種情況就需要認(rèn)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)生很多的電源適配器紋波， 這也會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源適配器的工作的。

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(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)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(hù)建筑物的作用。 同時(shí)， 接地也是保護(hù)人身安全的一種有效手段， 當(dāng)某種原因引起的相線(如電線絕緣不良， 線路老化等)和設(shè)備外殼碰觸時(shí)， 設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生， 由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng) PE 線到大地， 從而起到保護(hù)作用。 隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展， 在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。 比如在通信系統(tǒng)中， 大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)‘地’作為信號(hào)的參考地。 而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化， 信號(hào)頻率越來(lái)越高，因此， 在接地設(shè)計(jì)中， 信號(hào)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(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。 最近， 高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。


Q2： 接地的定義
Answer: 在現(xiàn)代接地概念中、 對(duì)于線路工程師來(lái)說(shuō)， 該術(shù)語(yǔ)的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’;對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)， 它常常是機(jī)柜或機(jī)架;對(duì)電氣工程師來(lái)說(shuō)， 它是綠色安全地線或接到大地的意思。 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(hào)
Answer: PE,PGND,FG-保護(hù)地或機(jī)殼;BGND 或 DC-RETURN-直流-48V(24V)電源適配器(電池)回流;GND-工作地;DGND-數(shù)字地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護(hù)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(qū)分， 以及低頻(f<1MHz)電子線路。 當(dāng)設(shè)計(jì)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(hào)回流和跨分割的介紹
Answer1： 對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)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(hào)回流就變得非常的關(guān)鍵。
第一， 根據(jù)公式可以知道， 輻射強(qiáng)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(zhǎng)， 形成的環(huán)越大， 它對(duì)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適配器回路和信號(hào)回路面積。
第二， 對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來(lái)說(shuō)， 提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量， 這是因?yàn)?PCB 上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源適配器層)為參考來(lái)計(jì)算的， 如果高速線附近有連續(xù)的地平面， 這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)， 如果有段線附近沒(méi)有了地參考， 這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化， 不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。 所以， 布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層， 或者高速線旁邊并行走一兩條地線， 起到屏蔽和就近提供回流的功能。
第三， 為什么說(shuō)布線的時(shí)候盡量不要跨電源適配器分割， 這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源適配器層后， 它的回流途徑就會(huì)很長(zhǎng)了， 容易受到干擾。 當(dāng)然， 不是嚴(yán)格要求不能跨越電源適配器分割，對(duì)于低速的信號(hào)是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查， 盡量不要跨越， 可以通過(guò)調(diào)整電源適配器部分的走線。 (這是針對(duì)多層板多個(gè)電源適配器供應(yīng)情況說(shuō)的)
Answer2： 對(duì)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(shè)計(jì)后， 對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了， 基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過(guò)孔數(shù)量;靠近地平面或者電源適配器平面， 等等。


Q6： 為什么要將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)， 如何分開(kāi)?
Answer： 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地， 因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快， 從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大， 而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。 如果模擬地和數(shù)字地混在一起， 噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。
一般來(lái)說(shuō)， 模擬地和數(shù)字地要分開(kāi)處理， 然后通過(guò)細(xì)的走線連在一起， 或者單點(diǎn)接在一起。 總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。 當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開(kāi)， 如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。


Q7： 單板上的信號(hào)如何接地?
Answer： 對(duì)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(shè)計(jì)后， 對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了， 基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過(guò)孔數(shù)量;靠近地平面或者電源適配器平面， 等等。


Q8： 單板的接口器件如何接地?
Answer： 有些單板會(huì)有對(duì)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(duì)它們的接地設(shè)計(jì)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(duì)外的電磁干擾源， 把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。 一般來(lái)說(shuō)會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地， 與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接， 可以串上0 歐姆或者小阻值的電阻。 細(xì)的走線可以用來(lái)阻隔信號(hào)地上噪音過(guò)到接口地上來(lái)。 同樣的， 對(duì)接口地和接口電源適配器的濾波也要認(rèn)真考慮。


Q9： 帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?
Answer： 屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上， 這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲， 如果屏蔽層接到了信號(hào)地上， 噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾， 所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。 當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。

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| 發(fā)布時(shí)間：2018.06.14    來(lái)源：國(guó)家信息技術(shù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
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