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不可多得的電源設(shè)計心得

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不可多得的電源設(shè)計心得

對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說, 電源適配器部分的設(shè)計也越來越重要, 我想通過和大家探討一些自己關(guān)于電源適配器設(shè)計的心得, 來個拋磚引玉, 讓我們在電源適配器設(shè)計方面能夠都有所深入和長進。

Q1: 如何來評估一個系統(tǒng)的電源適配器需求?
Answer: 對于一個實際的電子系統(tǒng), 要認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, 還要仔細考慮總的功耗, 電源適配器實現(xiàn)的效率, 電源適配器部分對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力, 關(guān)鍵器件對電源適配器波動的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源適配器紋波, 還有散熱問題等等。 功耗和效率是密切相關(guān)的, 效率高了, 在負載功耗相同的情況下總功耗就少, 對于整個系統(tǒng)的功率預算就非常有利了, 對比LDO 和開關(guān)電源適配器, 開關(guān)電源適配器的效率要高一些。 同時, 評估效率不僅僅是看在滿負載的時候電源適配器電路的效率, 還要關(guān)注輕負載的時候效率水平。
至于負載瞬態(tài)響應(yīng)能力, 對于一些高性能的 CPU 應(yīng)用就會有嚴格的要求, 因為當 CPU 突然開始運行繁重的任務(wù)時, 需要的啟動電流是很大的, 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多過低, 造成 CPU 運行出錯。
一般來說, 要求的電源適配器實際值多為標稱值的+-5%, 所以可以據(jù)此計算出允許的電源適配器紋波, 當然要預留余量的。
散熱問題對于那些大電流電源適配器和 LDO 來說比較重要, 通過計算也是可以評估是否合適的。


Q2: 如何選擇合適的電源適配器實現(xiàn)電路
Answer: 根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標, 可以來選擇合適的電源適配器實現(xiàn)電路了。 一般對于弱電部分, 包括了 LDO(線性電源適配器轉(zhuǎn)換器), 開關(guān)電源適配器電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源適配器電感電容轉(zhuǎn)換器。 相比之下, LDO 設(shè)計最易實現(xiàn), 輸出紋波小,但缺點是效率有可能不高, 發(fā)熱量大, 可提供的電流相較開關(guān)電源適配器不大等等。 而開關(guān)電源適配器電路設(shè)計靈活, 效率高, 但紋波大, 實現(xiàn)比較復雜, 調(diào)試比較煩瑣等等。


Q3: 如何為開關(guān)電源適配器電路選擇合適的元器件和參數(shù)
Answer: 很多的未使用過開關(guān)電源適配器設(shè)計的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理, 比如擔心開關(guān)電源適配器的干擾問題, PCBlayout 問題, 元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實只要了解了, 使用一個開關(guān)電源適配器設(shè)計還是非常方便的。
一個開關(guān)電源適配器一般包含有開關(guān)電源適配器控制器和輸出兩部分, 有些控制器會將MOSFET 集成到芯片中去, 這樣使用就更簡單了, 也簡化了 PCB 設(shè)計, 但是設(shè)計的靈活性就減少了一些。
開關(guān)控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng), 所以一般都會有一個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)計在于保證精確的采樣電路, 還有來控制反饋深度, 因為如果反饋環(huán)響應(yīng)過慢的話, 對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很多影響的。
而輸出部分設(shè)計包含了輸出電容, 輸出電感以及 MOSFET 等等, 這些的選擇基本上就是要滿足一個性能和成本的平衡, 比如高的開關(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), 但是高的開關(guān)頻率會增加干擾和對 MOSFET 的開關(guān)損耗, 從而效率降低。 使用低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。
對于輸出電容的 ESR MOSFET 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, 但是電容成本會增加, 好的電容會貴嘛。 開關(guān)電源適配器控制器驅(qū)動能力也要注意, 過多的 MOSFET 是不能被良好驅(qū)動的。
一般來說, 開關(guān)電源適配器控制器的供應(yīng)商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒的。


Q4: 如何調(diào)試開關(guān)電源適配器電路
Answer: 有一些經(jīng)驗可以共享給大家
1: 電源適配器電路的輸出輸出通過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, 避開后面電路的影響。
2: 一般來說開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng), 如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍, 開關(guān)電源適配器就會工作不正常, 所以這種情況就需要認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, 會產(chǎn)生很多的電源適配器紋波, 這也會影響開關(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性措施, 目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地, 從而起到保護建筑物的作用。 同時, 接地也是保護人身安全的一種有效手段, 當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, 設(shè)備的外殼就會有危險電壓產(chǎn)生, 由此生成的故障電流就會流經(jīng) PE 線到大地, 從而起到保護作用。 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遠不能滿足要求了。 比如在通信系統(tǒng)中, 大量設(shè)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準作為信號的參考地。 而且隨著電子設(shè)備的復雜化, 信號頻率越來越高,因此, 在接地設(shè)計中, 信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注, 否則,接地不當就會嚴重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。 最近, 高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了的概念。


Q2: 接地的定義
Answer: 在現(xiàn)代接地概念中、 對于線路工程師來說, 該術(shù)語的含義通常是線路電壓的參考點’;對于系統(tǒng)設(shè)計師來說, 它常常是機柜或機架;對電氣工程師來說, 它是綠色安全地線或接到大地的意思。 一個比較通用的定義是接地是電流返回其源的低阻抗通道。 注意要求是低阻抗通路。


Q3: 常見的接地符號
Answer: PE,PGND,FG-保護地或機殼;BGND 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-防雷保護地


Q4: 合適的接地方式
Answer: 接地有多種方式, 有單點接地, 多點接地以及混合類型的接地。 而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。 一般來說, 單點接地用于簡單電路,不同功能模塊之間接地區(qū)分, 以及低頻(f<1MHz)電子線路。 當設(shè)計高頻(f>10MHz)電路時就要采用多點接地了或者多層板(完整的地平面層)。


Q5: 信號回流和跨分割的介紹
Answer1: 對于一個電子信號來說, 它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑, 所以如何處理這個信號回流就變得非常的關(guān)鍵。
第一, 根據(jù)公式可以知道, 輻射強度是和回路面積成正比的, 就是說回流需要走的路徑越長, 形成的環(huán)越大, 它對外輻射的干擾也越大, 所以, PCB 布板的時候要盡可能減小電源適配器回路和信號回路面積。
第二, 對于一個高速信號來說, 提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量, 這是因為 PCB 上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源適配器層)為參考來計算的, 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), 如果有段線附近沒有了地參考, 這樣阻抗就會發(fā)生變化, 不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。 所以, 布線的時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, 為什么說布線的時候盡量不要跨電源適配器分割, 這也是因為信號跨越了不同電源適配器層后, 它的回流途徑就會很長了, 容易受到干擾。 當然, 不是嚴格要求不能跨越電源適配器分割,對于低速的信號是可以的,因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認真檢查, 盡量不要跨越, 可以通過調(diào)整電源適配器部分的走線。 (這是針對多層板多個電源適配器供應(yīng)情況說的)
Answer2: 對于一般器件來說, 就近接地是最好的, 采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計后, 對于一般信號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, 如何分開?
Answer
: 模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地, 因為數(shù)字信號變化速度快, 從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大, 而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。 如果模擬地和數(shù)字地混在一起, 噪聲就會影響到模擬信號。
一般來說, 模擬地和數(shù)字地要分開處理, 然后通過細的走線連在一起, 或者單點接在一起。 總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。 當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開, 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: 單板上的信號如何接地?
Answer
: 對于一般器件來說, 就近接地是最好的, 采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計后, 對于一般信號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
: 有些單板會有對外的輸入輸出接口, 比如串口連接器, 網(wǎng)口 RJ45 連接器等等, 如果對它們的接地設(shè)計得不好也會影響到正常工作, 例如網(wǎng)口互連有誤碼, 丟包等, 并且會成為對外的電磁干擾源, 把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。 一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地, 與信號地的連接采用細的走線連接, 可以串上0 歐姆或者小阻值的電阻。 細的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。 同樣的, 對接口地和接口電源適配器的濾波也要認真考慮。


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地上, 這是因為信號地上有各種的噪聲, 如果屏蔽層接到了信號地上, 噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾, 所以設(shè)計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。 當然前提是接口地也要非常的干凈。

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| 發(fā)布時間:2018.06.14    來源:國家信息技術(shù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心
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