发布时间:15-11-12 14:53分类:技术文章 标签:电路接地 随着电子产品尺寸变得越来越紧凑、功能越来越强大、用途更加广泛,*终的系统级要求,以及移动和固定设备的复杂性也变得日益突出。这种复杂性来源于要求在模拟和数字电路之间实现无线和有线的互连,需要系统工程师使用多个电源轨和混合电路设计。具有模拟和数字信号的电路一般倾向于设置几个接地参考,这样经常导致电路杂乱无章,设计目的无法实现,表面上看上去很可靠的方案却*终成为故障之源。这里将重点放在理解电路的需求和预*规划*终的系统,因为这两个步骤的结果是有效地把图纸转变为*终的印刷电路板。在设计阶段花一些时间从电流路径和噪声敏感性的角度来考虑一个复杂系统的每个功能模块,然后根据电流总是在一个循环回路中流动的简单公理来设置这些模块及供电电路,这样当今系统工程师所面对的复杂电路*可以分解为许多可管理的部分,以便实现*终的可靠设计。 简单电路的电源和接地分析 为了证明该理论,让我们来看一个简单的电路并考虑所示的连接。该基本电路包括三个要素,一个低压差(LDO)线性调节器,一个微处理USB数据线接到音频驱动器,和一个扬声器,所有这些都由一个连接到某个计算主机的USB插头供电。在本例中,USB到音频驱动器必须用3.3V供电。由于扬声器采用音频驱动器的输出供电,所以音频输入驱动器需要+3.3VLDO,其由USB连接器供电(+5V),这似乎可以得到一个显而易见的结论,即可将它们放置在图1(a)原理图所示的位置。但是,在这种框架下,驱动扬声器工作的电流在返回到电流源驱动器时会产生一个电压反弹,该电压反弹会反过来作用于LDO并*终影响到USB连接器。在本例中,把USB数据转换为音乐的基准电压会以音乐播放的速率反弹。由于扬声器电感所产生的相移会增大误差,这将和由于电流提升产生的高音量混合在一起。电压反弹也将导致纹波出现,这将降低扬声器发出的音质。 这将减少到达DC的纹波,之后电流只引起电压降,并且不会随时间而变化很多(上面等式中的Δt应该被视为可听频率12~14kHz的平均值)。通过在各IC之间使用较宽的电源和GND连接来限制由欧姆定律所得到的电压降值(电流与电阻的乘积),可控制误差的大小。 GND和电源线的宽度应当根据可接受的损耗来确定。对于典型的1盎司铜印刷电路板,其电阻可以估算大约为每平方0.5mΩ。由于此问题不能总是通过添加电容去缓解,而应该采用图1(b)中的方案来从根本上解决。LDO是放在音频驱动IC的上方,可以使立体声电流回路避免了敏感的音频驱动GND,这样产生的GND电压反弹不会影响音频驱动,只有小的纹波干扰出现。 图1简单的电路表明电源电路会引起反弹,而且会返回电源。 复杂电路的电源和接地优化策略 在上面的应用案例中,只有两个电流回路。现在,我们换一个更复杂的例子。下面考虑的是一个较为复杂的平板电脑系统。在本例中,平板电脑包括背光、触屏、摄像头、充电系统(USB和无线)、蓝牙、WiFi、音频输出(扬声器,耳机)、以及用于存储数据的存储器。当然,这些应用的大部分都需要不同电压的电源轨以便更好地工作。如图2所示,该系统具有五个电源轨和两种给电池充电的方法,这意味着至少会有五个电流回路。但相比直流电源,以及相关的各条电流路径,实际应用中有更多需要考虑的方面。电路中有多个开关稳压器,广播和接收天线系统,所有这些都需要使用微处理器来协调和控制。展示的与电源和它们供电的模块相关联的电源路径和GND路径,有助于将电源和负载电流评估进行汇总,从而实现以下目的: 在图2中,主电源轨已被颜色编码,流经相应GND符号处的电流已被匹配到提供电流的电源轨。例如,每一个与电池充电不相关的部件(红色),有一个端电流返回到电池,但USB到音频IC由3.3V BUCK调节器供电,而它是由5V Boost调节器供电的,之后接到电池。因此,GND电流从音频IC按*后顺序返回到各调节器,然后到达电池,音频IC电流不会直接返回到电池。 图2典型的移动平板电脑模块示意 图2所示的系统采用了一个锂离子电池,通过USB充电器或无线功率发射器和接收器可以进行充电。电池电压可被升压到+ 5V(用于相机变焦马达、针对微处理器的+3.3V降压调节器、音频和触摸屏),可降压到+ 1.2V(用于微处理器、存储器、蓝牙和WiFi),也可升压到+ 7V用于相机闪光灯。显然,电压调节器应放在各自的负载附近,但*终由于产品形状尺寸的限制,通常迫使设计者把负载放在距离电源较远的位置,或在电路板周围混杂放置。可以看出,每个电源需要支持多个负载,因此必须采用精心策划的布线和布局方案来控制电流路径和无意产生的EMI。这里是一些重要的布局考虑因素:i)可用的空间,ⅱ)机械方面的约束,ⅲ)电源和GND轨可接受的电压降(负载电流和迹线/平面正方形数目的乘积),ⅳ)电源和GND电流路径,以及v)成本(PCB层数,组件),ⅵ)数字或模拟信号的频率,以及从电源直接返回路径的可行性。

发布时间:15-11-13 17:51分类:技术文章 标签:电路接地 作为*后一个案例,这里介绍一个假设的具有机械约束的*终系统。在这样的系统中,用户界面和整体尺寸会给设计带来一些限制。 图3典型的移动平板电脑应用模块和布局 图3中的每个电源都被颜色编码以便区分,图中*重要的部分是彩色标识的GND返回电流。因为多个电源是串联的,导致每个*终负载和GND电流被迫以它们被加电时相同的顺序去完成返回路径。例如,电池为BUCK1.2V调节器加电,该调节器为微处理器供电。因此,流经微处理器的电流在返回到电池之前,将直接返回到BUCK1.2V调节器器GND端。如果未能预见到全部的电流回路和电流路径完成的次序,*可能导致电路运行不稳定,或者没有足够的GND电流返回,原因是这些问题没有在电路布局中适当地考虑到并加以控制。 值得注意的是,上述所列出的各例中都假设采用一个单一的GND,并且被画在一个铜平面上,该平面在一个PCB层中为连续和不间断的。此接地平面由电路中所有的模块共享,而不是隔分GND平面,或把它分离为多个子部分,之后使用组件来连接GND平面及控制电流路径。特意的模块布局已经开始得到实施,因为这种方法使用自然的电流流动可以使电路屏蔽免受不需要的GND反弹影响。任何承载电流或电压(正电位)的线路必须要有一个返回路径,而返回路径应尽可能地接近正电位形式的信号,并且会被分配到源信号/电源轨下方的GND平面上。 在理解了电流的流动和*小化电流环路的概念后可以得到一个明显的结论,单点接地方法是PCB设计的理想和*方法,因为它显著减少了元件数量,电路板层数和潜在的辐射:每段线路和模块应该在PCB板上具有尽可能短的返回路径。按照此指导原则,系统设计人员只需要从正确的走线宽度、组件和模块的智能布局等角度来控制PCB设计。他没有必要去检查每一段线路,或搭建多个实验板以获得正确的电源、信号和GND方案。单一、不间断的GND平面层带来的另外一个优点是该平面的连续性允许产生的热量均匀地散布在整个PCB表面,从而实现较低的工作温度。 用于驱动任何电路的任何信号(或电源),必须有适当的路径返回到源头。电路设计人员必须考虑源和接地方案以正确地实现*终的系统方案。在实施阶段考虑负载和负载类型是至关重要的,这样可以使那些引起电压反弹的电流路径得到控制。在GND噪声不影响PCB性能的区域,布局和定位那些电流通路是实现有效和高效电路设计的关键。

  电源如同人类的循环系统,是能源输入输出的地方,若是电源设计不合理,或者能量输出不足,带给整个电子系统都是致命的。

 

  对于线性电源来说,有些概念必须要注意,最大功耗 PD = | Vin - Vout | x Iout;热阻是指热量从器件的晶片上向外传导时受到的阻力,其单位是℃/W。那么热阻和最大功耗PD之间的关系就为 图片 1  = ( TJ - TA )/ PD,其中TJ 是结温,TA是工作温度。

 

根据上面的公式,我们来计算一下常用的芯片AMS1117标称最大能够达到1A的电流输出,看一下实际能够达到多大。(假设是5V稳到3.3V)

综述***先看这里***

  首先对应手册,找出热阻和结温度,如下图1所示。其中图片 2   = 90 ℃/W,结温度TJ  = 150℃,工作温度TA  = 25℃,根据上述公式得到PD = 1.39W,那么 Iout = 1.39 / (5 — 3.3) = 816.99mA,也就是说标称最大达到1A的AMS1117正常工作时能够达到800mA左右,笔者常常在对电源芯片最大输出电流打八折算,也就是最大输出电流1A,实际上也就是到800mA左右。

  第一节的1.1简单介绍了DC/DC是什么;

图片 3

  第二节是关于DC/DC的常见的疑问答疑,非常实用;

图1  AMS1117的热阻

  第三节是针对nRF51822这款芯片电源管理部分的DC/DC、LDO、1.8的详细分析,对于研究51822的人很有帮助;

(1)电源余量要留足

  第四节是对DC/DC的系统性介绍,非常全面;

  电源一定要留足余量,一般要比负载的峰值耗电至少多20%,这样比较安全,不会发生意想不到的故障。

  第五节讲稳压电路的,没太多东西,可以跳过;

  电源余量不足时,电源会工作在极限状态,电源的纹波会剧烈上升,达到几百mV甚至几V。所以在确定电源输入之前,最好先估计整个板子系统上面的最大功耗。

  第六节讲LDO的,包含LDO和DC/DC的选型建议、LDO电容的选择等,很好;

1)对一个电子系统,认真分析电源需求,包括输入电压,输出电压和电流,总功耗,电源实现的效率,电源部分对负载变换的瞬态响应能力,关键器件对电源波动的容忍范围以及相应允许的电源纹波,还有散热问题等等。

  第七八两节从专业角度给出提高电源效率的建议(目前还用不到)。

  在评估时不仅仅要关注满负载,也要关注轻负载的效率水平。CPU在启动时往往需要较大的电流,若是电源的响应速度不够,会造成瞬间电压下降过多,造成CPU出错。、

 

2)确定合理的电源电路实现方案。对于弱电部分,基本上实现的方案包括LDO和DC-DC实现方案,LDO的优点是输出的纹波较小,缺点效率不高,发热量大,提供的电流不比DCDC大。DC-DC与LDO相比,纹波较大,这也是 DC-DC最大的缺点,优点正好应对LDO的缺点。

一、DC/DC转换器是什么意思

电源布线方面也有一些讲究:

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1)功率器件及干扰源器件要注意摆放的位置和方向,避免对板上的其他器件造成干扰;

2)功率器件的线路的宽度应该宽一些,实现大电流的留出;

3)退耦电容容量要足,在板上的位置要合理;

4)电源线的线路不易过长,走线期间最好不要实现分叉,尽量从源端流出;

1.1、DC/DC概述

(2)纹波问题要注意

  DC重所周知是直流的意思,DC/DC转换器就是指直流电之间的转换设备,在移动电话、笔计本电脑、摄影机等产品中,需将低压直流电压变成高压直流电压,于是这些场合就需要用到DC/DC转换器。

  理想的直流电源输出的电源应该是纯正的直流,没有丝毫的杂波。但是实际中,电源内部总会有内阻,在给负载供电时电流会随着负载的变化而变化,在电源就会以纹波噪声的形式体现出来。而且有些电源本身就会有输出的波动,这同样也是纹波。

  目前,自偏置同步整流已经普遍用于5V以下的低压小功率输出。自偏置同步整流用法简单易行,选择好MOSFET即告成功,此处不多述。 而对于12V以上至20V左右的同步整流则多采用控制驱动IC,这样可以收到较好的效果。ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激变换电路及正激变换电路。我们给出其参考电路。线性技术公司的LTC3900和LTC3901则是去年才推出的更优秀的同步整流控制IC.采用IC驱动的同步整流电路中,应该说最好的还是业界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流电路,它将DC/DC转换器的效率带上了95%这一历史性台阶。

  那么什么是纹波?纹波就是在直流中参杂的小幅度交流信号。纯正的直流电压等于一个常数C,有纹波的电压其输出公式就为:V = C + sinA /a + sinB/b + sinC/c + sinD/d +........;C后面的实际上就是一个纹波信号的傅里叶展开式。

 

  电源纹波所带的影响:

1.2、总结趋势

1)视频系统中,图像有条纹;

2)音频系统中,扬声器参杂有其他杂声;

3)A/D转换精度不够;

4)电路板上某个模块失灵;

  半导体技术进步是DC/DC技术变化的强大动力。

导致电源纹波的一些原因:

(1) MOSFET的技术进步给DC/DC模块技术带来的巨大变化,同步整流技术的巨大进步。

1)电源容量不足,导致纹波增大;

2)系统内的高速时钟信号和数据信号本身就会产生噪声,反向影响到电源部分;

3)PCB的印制线和连接线不恰当,影响大电源纹波;

(2) Schottky技术的进步。

4)数字IC,如FPGA在高速运行时具有很快的跳变沿,瞬时电流也大幅度变化,产生电磁干扰串扰影响到其他部件。

(3) 控制及驱动IC的进步

(3)镇压纹波势在必行

a. 高压直接起动

  上面已经讲述了纹波所带来的危害是极大的,所以必须要减少纹波的产生或者降低纹波的数量级。有三种方法使得信号路径的噪声和纹波最小:非常仔细的系统PCB布局、恰当的电源旁路处理以及正确的电源选择。

b. 高压电平位移驱动取代变压器驱动

1)LDO能有效的降低纹波的量级,在使用时LDO电路的输入和输出需要对地并联电解电容器,通常在100uF以上。较低内阻(ESR)的大电容器一般可以全面提高电源抑制比(PSRR)、噪声以及瞬态性能。通常还要在大电容旁边并联一个0.1uF的陶瓷电容,以保证电源的高频响应能力。电容的位置尽量靠近电源的输入部分。

c. ZVS,ZCS驱动器贡献给同步整流最佳效果。

2)值得一提的是,在信号回路上有寄生的低频振荡,一般是电源的低频内阻太大,增加对地的电解电容器的容量,通常可以解决;在信号回路上有寄生的高频振荡,一般是电源的低高频内阻太大,增加对地的电解电容器的容量,通常可以解决;

d. 光耦反馈直接接口。

3)若是LDO对信号回路进行供电,LDO就不要再对CPU进行供电,会影响纯净的LDO输出。

    PWM IC经历了:电压型=>电流型=>电压型的转换,又经历了硬开关=>软开关=>硬开关的否定之否定变化。掌握优秀控制IC是制作优秀DC/DC的前提和关键。

陶瓷电容器是旁路高频的首选,其故障模式是断路,钽电容的故障模式是短路,负责电路中的中频纹波。陶瓷电容的ESR较低,大概在10mΩ级别,钽电容的ESR大概在100mΩ级别,而且钽电容可以很容易做到10uF以上的量级,通常钽电容用在DC-DC中用的比较多。电解电容负责衰减低频的纹波,因为频率低,所以电解电容的位置要求不是很高,只要有效果都差不多。

(4) 微控制器及DSP进入DC/DC是技术发展的必由之路。

(4)DC/DC学问多

(5) 磁芯技术的突破是下一代DC/DC技术进步的关键,也是巨大难题。

DC/DC的纹波比较大的原因是斩波频率造成的,所以在选择DC/DC芯片时候要尽可能选择频率较高的,有以下好处:

 

1) 频率高,纹波频率也高,更容易滤除;

 

2) 频率高,可以选择低电感值,这样会有更强负载能力;

二、DC/DC转换效率问题

3) 频率高,可以实现用小的电容实现理想的滤波效果;

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4) 频率高,自损耗电流也大;

 

  若是想最大限度的降低DC/DC或者其他分立元件电源部分的纹波,可以在电源的输入端加入RC滤波电路,能起到很好的滤波效果。

2.1、存在的疑问及解答

对于DC/DC还要多说一点就是,每款DC/DC芯片的转换效率和压差也有关系,压差越小,转换效率高,如下图2的MP2359的转换效率和压差之间的关系。而且在某个输出电流值时具有最大的转换效率。所以先估算总体功耗,然后对应系统最大的功耗选择在某一个电流值输出效率最大的一款DC/DC芯片。

  经常可以看见转换效率达到98%以上高效电源转换,我理解是PWM控制器能耗很小,因此转换效率高.实际上大部分开关电源除了使用PWM控制器外,还使用电感或变压器,该类器件存在一定内阻,当通过大电流时,能耗也不低,例如当使用50m内阻的电感/变压器时,若通过电流为10A,则功耗达到5W,对于5V输出的电源转换来说,转换效率最高只能达到90%;再如几乎所有的Linear电源转换PWM控制器的Datasheet中均有一幅转换效率图,图中一般给出90%的高转换效率,因此存在以下几个疑问请各位高手解答(以下均指DC/DC): 

图片 4图片 5

 

图2 效率与压差之间的关系

1 如何理解电源转换效率,一些基本电路(Buck,Boost,半桥,全桥)的效率一般可以做到多少? 

  DC/DC也会出现发热问题,用DC/DC做电源的设备,通常体积小,散热更加困难。线性电源发热加散热片一般能对付过去。那么在工程上面评价一个东西的散热速度的指标叫做“热阻”,其定义为 反应阻值热量传递能力的综合参量,可见此参数应该是越小越好的。单位为℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差。所以超过400mA的DC/DC 电路,建议使用低热阻的IC。

>>1,转换效率当然是输出和入的比值,一般的都在80以上,有个别贵芯片有90以上,峰值有些能有95或再高些,但仅仅是特定输入和输出条件下才有的峰值效率而已。至于你上面提的,如果有电源线圈需要过10安电流,那设计再蠢也不会让线圈有50豪欧电阻的,一般控制在10豪欧以内。

DC/DC的芯片工作频率越高,输出电流越高,原因如下:

 

1)DC/DC芯片的开关频率越高,其产生的电源纹波越小,同时也越容易控制住纹波;

2)DC/DC外部一般都要配备一个储存能量的电感,一般DC/DC工作频率越高,尺寸就可以选小些,且电感有一定的直流电阻,电流越大,发热量也越高。

2 开关电源转换中是否必须使用电感或变压器 

  DC/DC芯片的工作频率高的话,就越有可能使用小电感量的电感,而且其直流电阻越小,发热量也越小。对于使用大电流DC/DC情况的方案,若要是最大限度的降低纹波,可以将DC/DC周围的器件的GND以最短路径连接在一起,实现以单点共地。因为这些导体存在一定的阻抗和感抗,单点共地可以消除上述的影响。如下图3是笔者曾经设计的DC/DC电路,将DC/DC周围器件的GND连接在一起,通过0Ω电阻R16实现单点共地。

>>2一定要有储能器件,不是电感就是电容

图片 6

 

图3 DC/DC降低纹波电路

3 线性电源的转换效率是否高于开关电源 

(5)容忍纹波范围

>>3线性的极少情况效率高于开关的

其实没有纹波的电源是不存在,上面也讲了很多关于降低纹波的方法,纹波是一定要降低的,大多数器件都有一个容忍纹波的范围,只要在器件所容忍的纹波范围之内,都是可以接受的。

 

所以对于5V供电,电源纹波应该在50mV以下,3.3V供电,电源输入部分的纹波应该在20mV以下。

4 开关电源中除电感/变压器外,有无其它发热器件,如何避免 

>>4很多器件都发热,如何避免就深奥了,太多东西了

 

5 在使用电感或变压器后,如何真正做到98%以上的高转换效率,即电感/变压器的内阻是否能做的很小,又不影响使用 

>>5,对,但98是峰值,只是个数值而已

 

6 在电源转换中,电感/变压器的内阻是否越小越好

>>6,最好用超导

 

7 非隔离电源的功率最大可做到多少(主要是针对我做大功率电源5KW,想知道是不是一定要使用隔离的)

>>7,和功率没关系,主要还是电压比和效率的问题

 

8 我们看到的一些变压器隔离型电路中,降压电路就是在逆变后加一个隔离变压器同时输出降低电压,然后再整流得到直流,那请问是不是可以增加副边线圈匝数就可以做升压电路?

>>8理论是,但需要调整一些参数。