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[导读]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。

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   = ( 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)


首先对应手册,找出热阻和结温度,如下图1所示。其中   = 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。


图1  AMS1117的热阻


(1)电源余量要留足


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。


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。


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。


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。


电源布线方面也有一些讲究:


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;


(2)纹波问题要注意


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。


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)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;


导致电源纹波的一些原因:


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;

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)镇压纹波势在必行


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。


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。


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;


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。


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)DC/DC学问多


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;

3) 频率高,可以实现用小的电容实现理想的滤波效果;

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。


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。


图2 效率与压差之间的关系


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。

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。


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。


图3 DC/DC降低纹波电路


(5)容忍纹波范围


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。


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