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    電源設計中你不得不注意的哪些細節

    2014-06-09 19:18:59 來源:本站原創

    電源是一個系統的基礎,一個良好的電源設計是系統穩定運行的前提。所以電源設計對于整個系統來說是非常重要的,那一個穩定可靠地電源設計到底需要注意哪些細節上的要求呢?下面就讓大家來看看電源設計中我們不得不注意的細節。

    電源芯片的選擇

    說到電源,先要說的就是DC-DC和LDO兩種電源芯片的選擇。兩種電源的優缺點都非常明顯。DC-DC最大的優點就是效率高,可以輸出大電流,電源效率普遍能夠做到百分之九十左右,有些甚至可以達到九十五以上。缺點也比較明顯,需要用到的外圍器件多,所占PCB面積大,成本高,由于開關的存在濾波控制不好的話會給系統引入噪聲等等。LDO則正好相反,外圍器件簡單,占用面積小,成本低,沒有開關,輸出電源的線性度更好,但是效率取決于輸入和輸出電壓的壓差,壓差大效率就低。通過比較我們可以大致做出電源的選擇。如果電源壓差較小,或者電流較小,使用LDO是個不錯的選擇。如果壓差較大,或者電流較大,那么一般會推薦使用DC-DC。

    LDO電源設計簡單,成本低,外圍電路一般只需要幾顆旁路電容就夠了。雖然設計簡單,但還是有些具體的地方需要注意。

    第一個要考慮的就是散熱

    由于LDO的特性決定,壓差部分的功耗是要通過芯片本身的散熱釋放出去的。如果壓差和電流較大,那么器件上消耗的功耗就會比較大,散熱我們就不能不考慮。舉例說明,如果我們用3.3V通過LDO降壓到1.2V,電流是800mA,那么芯片上消耗的功率就是(3.3-1.2)*0.8=1.68W,這么大的功率消耗,如果在PCB設計的時候沒有留下足夠的散熱空間,那么隨著系統的運行,LDO芯片就會越來越燙。雖然很多LDO的截止溫度能達到125度,但是長時間在高溫下運行,會嚴重影響系統壽命。調試階段也難免會燙傷到自己。為了系統和自身的安全,保證LDO的良好散熱是我們在做PCB的時候要考慮到的問題,又是我們容易忽略的地方。

    第二個要考慮的是LDO器件的壓差

    以我們常用的1117為例,能做到的最小壓差是1V。那么如果我們要用3.3V降壓到2.5V選擇1117是不合適的。得到的結果只能是2.3V左右,還要和你的電流有關。當然現在新出的LDO在壓差方面有了很大的改進,最小壓降有些已經做到了100mV,能滿足大多數應用的需求。 第三個要考慮的是旁路電容的選擇

    LDO芯片的外圍電路就是幾顆旁路電容。這幾顆電容的選擇也要參考器件的Datasheet,一般都會有容量和型號的推薦。還是以1117為例,各家公司推出的1117雖然功能差不多,但是在輸出旁路電容的選擇上也會有所區別,有些要求輸出旁路電容采用10UF以上的鉭電容,如果采用電解電容則容量要求更高,有些要求電容的ESR大小在一定范圍,已獲得更好的高頻響應。這些細節是我們在選擇器件的時候需要認真在datasheet里面找答案的。

    DC-DC的應用比LDO要稍微復雜一些,需要注意的地方也更多。我們先來看看走線對電路尤其是對電源電路的影響。PCB上的走線都會存在一定的走線電感,根據走線的寬度,厚度,和幾何形狀的不同,走線電感也會不同。一個簡單的經驗值是1oz的銅厚,30mil的走線寬度,1inch的走線長度的走線電感大約為20nH。這個電感值似乎并不大,但我們來看看在電源芯片上產生的影響。DC-DC通常都會應用在大電流的應用場景。我們來假設一個2A的應用環境。DC-DC要能夠保證系統從0A到2A之間電流需求的供應。那么1inch長度的走線會使電壓產生多大的偏移,我們可以帶入下面的計算公式:

    V=L*di/dt

    其中L是走線電感,di是電流變化量,dt是開關轉換速度。DC-DC的開關轉換速度一般可以取值30ns來計算。帶入公式我們可以得出V=20nH*2A/30ns=1.33V!

    通過計算我們可以看出來,即使是1inch的走線,由于電源部分的走線的電流很大,一樣會引起電壓很大的偏移。這樣的偏移嚴重的會導致電源徹底失效。在上面的這幾個變量里,電流變化量是系統決定的我們不能改變,開關轉換速度是由電源芯片決定的,雖然有些芯片可以在一定范圍內調整,但是如果轉換速度過慢,開關損耗又是我們不能不考慮的問題,這個值也不會帶來很大改善,那么我們能做的自然就是盡量的減小走線距離了。

    通過上面的計算我們還應該看到的就是,電源部分那些電流較大的走線我們需要更加注意,另外一些走線比如使能信號等小信號的走線就可以作為次要考慮。除了走線的影響以外,過孔一樣存在一定的寄生電感,那么在大電流的路徑上盡量減少過孔的使用,當然也不能教條。如果由于不用過孔導致的繞線距離過長,那就得不償失了?;驹瓌t就是看哪種方式的影響更小。一個有用的經驗值就是50mil板厚內徑為10mil的過孔寄生電感大約為1nH。

    另外一個建議就是如果一定要使用過孔,多個過孔并聯優于單個過孔。這個很容易理解,多個過孔并聯,相當于降低了寄生電感感值。

    DC-DC開關頻率選擇

    DC-DC電源的開關頻率越高,所需要的電感體積和感值就越小。但并不是說DC-DC的開關頻率越高越好。因為過高的開關頻率,同樣會引入開關噪聲,如果系統的敏感頻率恰好在這個范圍,那么開關頻率和它的諧波就會對系統產生影響。另外開關頻率過高,開關損耗也會增加,效率降低。這里我們要弄清楚的是開關頻率和開關轉換速度的區別。做個簡單的類比,開關頻率就像我們信號的頻率,開關轉換速度就像是信號的上升沿。開關轉換速度越快,就相當于信號的上升沿越陡,其中包含的頻率分量越豐富,引入系統的噪聲越大。一般來說,開關轉換速度對系統的影響要比開關頻率還要大,更應該引起我們的注意。

    電容的選擇

    在沒有尺寸和成本限制的情況下多放幾顆/幾種電容,對供電系統來說不是什么壞事。但是更多的設計里面都不會這么自由,很多消費電子的設計,對每一顆電容的成本都會斤斤計較。這些時候我們就需要通過計算,仿真等手段來確定系統所需電容的容值和數量。要想得到準確的結果,我們需要清楚系統的工作頻率,電壓波動容忍度,電流瞬態變化量等等,也就是說我們要對自己的系統有很深入的理解。對于一些簡單的系統,如果對電流的需求不是很高,免去復雜的計算,可以在設計的時候按照幾個數量級放置幾種不同的電容,一般情況下是能夠正常工作的。

    電感的選擇

    電感的選擇在電源芯片的Datasheet里都會有詳細的介紹,根據開關頻率的不同選擇的感值和封裝都會有所區別。提一個容易被忽視的地方。一般的概念里電感是沒有方向的,電感的兩端是一樣的。實際上并不是這樣。一般的電感會有一個磁芯,電線纏繞在磁芯周圍。那么電線總有一個起始端一個結束端。起始端的電線纏繞在磁芯的內側,結束端的電線纏繞在磁芯的外側。那么把電感的起始端連接在DC-DC的開關節點一端,結束端連接在DC-DC的輸出電壓一端,這樣輸出電壓在物理上可以對開關節點電壓有一定的屏蔽作用,降低電源系統的EMI。一般電感的起始端會有一個白點作為標注,可以注意一下。

    電源設計來說,充分考慮以上提到的幾個方面,優化器件的布局,讓大電流走線和開關走線盡量短,選擇合適的器件,就能有效的減小電源出錯的可能性。

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