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(yù)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(yù)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)計較易實現(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(fù)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 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‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)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。較近，高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了“地”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”和“通路”。

Q3：常見的接地符號
Answer: PE,PGND,FG-保護地或機殼;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，它需要尋找一條較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，就近接地是較好的，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，就近接地是較好的，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較大噪聲輸出源。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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