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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)。
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。
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)較易實(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。
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。
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
Answer： 接地技術(shù)的引入較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。 較近， 高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。
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”。
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
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)。
Answer1： 對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)來(lái)說(shuō)， 它需要尋找一條較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)， 就近接地是較好的， 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。
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。
Answer： 對(duì)于一般器件來(lái)說(shuō)， 就近接地是較好的， 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。
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。
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較大噪聲輸出源。 當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。 文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系刪除。 |
| | 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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