電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1、電源如同人類的循環(huán)系統(tǒng)，是能源輸入輸出的地方，若是電源設(shè)計(jì)不 合理，或者能量輸出不足，帶給整個(gè)電子系統(tǒng)都是致命的。對(duì)于線性電源來說，有些概念必須要注意，最大功耗PD = I Vin - Vout lx lout；熱阻是指熱量從器件的晶片上向外傳導(dǎo)時(shí)受到的阻力， 其單位是C/W。那么熱阻和最大功耗PD之間的關(guān)系就為巾滬（TJ - TA ） / PD,其中TJ是結(jié)溫，TA是工作溫度。根據(jù)上面的公式，我們來計(jì)算一下常用的芯片AMS1117標(biāo)稱最大能夠 達(dá)到1A的電流輸出，看一下實(shí)際能夠達(dá)到多大。（假設(shè)是5V穩(wěn)到3.3V） 首先對(duì)應(yīng)手冊(cè)，找出熱阻和結(jié)溫度，如下圖1所示。其中e滬90 r/w, 結(jié)溫度T

2、J = 15（rc,工作溫度TA = 25C,根據(jù)上述公式得到PD = 1.39W,那么 lout = 1.39 /（5 3. 3）= 816.99mA,也就是說標(biāo)稱實(shí)際上也就是最大達(dá)到1A的AMS1117正常工作時(shí)能夠達(dá)到800mA左右，筆者常常在對(duì) 電源芯片最大輸出電流打八折算，也就是最大輸出電流1A, 到SOOmA左右。ABSOLI TE MAXIMUM RATINGS 3)Power RibipmionInfernally limitedSoldering inriwmiitivnInpui Vol ageI5VLad rcnipcniiurc (25 sec)26SVOpMlirta

3、 JbMliOn 1右咻叭Tbiiut KeziwueConKol Scctikmgul25弋SO S pKUge91押 WPower Tranststor3C IO 50PC 110-252 paclaue沁* R0VWStorage iciiraiurcSO 1-223 packageg* 口 心wldcnoti b rapper 曲 over tadtwfeground pUnc iw inicnui power pUoc . 口 can vary frun 46X?/W Io :90氣YW tkpcodinjE UQ mounting. KvhfuqiK and itic we or

4、ibtf copper圖 1AMS1117的熱阻（1）電源余量要留足電源一定要留足余量，一般要比負(fù)載的峰值耗電至少多20%,這樣比 較安全，不會(huì)發(fā)生意想不到的故障。電源余量不足時(shí)，電源會(huì)工作在極限狀態(tài)，電源的紋波會(huì)劇烈上升， 達(dá)到兒百mV其至兒V。所以在確定電源輸入之前，最好先佔(zhàn)計(jì)整個(gè)板子系 統(tǒng)上面的最大功耗。1）對(duì)一個(gè)電子系統(tǒng)，認(rèn)真分析電源需求，包括輸入電壓，輸出電壓和電 流，總功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì)負(fù)載變換的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān) 鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范W以及相應(yīng)允許的電源紋波，還有散熱問題等 等。在評(píng)佔(zhàn)時(shí)不僅僅要關(guān)注滿負(fù)載，也要關(guān)注輕負(fù)載的效率水平。CPI；在 啟動(dòng)時(shí)往往需要較大的

5、電流，若是電源的響應(yīng)速度不夠，會(huì)造成瞬間電壓 下降過多，造成CPU出錯(cuò)。2）確定合理的電源電路實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于弱電部分，基本上實(shí)現(xiàn)的方案包 括LD0和DC-DC實(shí)現(xiàn)方案，LD0的優(yōu)點(diǎn)是輸出的紋波較小，缺點(diǎn)效率不 高，發(fā)熱量大，提供的電流不比DCDC大。DC-DC與LD0相比，紋波較大， 這也是DC-DC最大的缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)正好應(yīng)對(duì)LD0的缺點(diǎn)。電源布線方面也有一些講究：1）功率器件及干擾源器件要注意擺放的位置和方向，避免對(duì)板上的其他 器件造成干擾；2）功率器件的線路的寬度應(yīng)該寬一些，實(shí)現(xiàn)大電流的留出；3）退耦電容容量要足，在板上的位置要合理；4）電源線的線路不易過長(zhǎng)，走線期間最好不要實(shí)現(xiàn)分義，盡量從

6、源端流 ；（2）紋波問題要注意：理想的直流電源輸出的電源應(yīng)該是純正的直流，沒有絲毫的雜波。但 是實(shí)際中，電源內(nèi)部總會(huì)有內(nèi)阻，在給負(fù)載供電時(shí)電流會(huì)隨著負(fù)載的變化 而變化，在電源就會(huì)以紋波噪聲的形式體現(xiàn)出來。而且有些電源本身就會(huì) 有輸出的波動(dòng)，這同樣也是紋波。那么什么是紋波？紋波就是在直流中參雜的小幅度交流信號(hào)。純正的直 流電壓等于一個(gè)常數(shù)C,有紋波的電壓其輸出公式就為：V = C + sinA /a + sinB/b + sinC/c + sinD/d +；C后面的實(shí)際上就是一個(gè)紋波信號(hào)的傅里葉展開式。電源紋波所帶的影響：1)2)3)4)視頻系統(tǒng)中，圖像有條紋； 音頻系統(tǒng)中，揚(yáng)聲器參雜有其他雜聲

7、;A/D轉(zhuǎn)換精度不夠；電路板上某個(gè)模塊失靈； 導(dǎo)致電源紋波的一些原因：1）電源容量不足，導(dǎo)致紋波增大；2）系統(tǒng)內(nèi)的高速時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)本身就會(huì)產(chǎn)生噪聲，反向影響到電 源部分；3）PCB的印制線和連接線不恰當(dāng)，影響大電源紋波；4）數(shù)字IC,如FPGA在高速運(yùn)行時(shí)具有很快的跳變沿，瞬時(shí)電流也大幅度 變化，產(chǎn)生電磁干擾審擾影響到其他部件。（3）鎮(zhèn)壓紋波勢(shì)在必行上面已經(jīng)講述了紋波所帶來的危害是極大的，所以必須要減少紋波的 產(chǎn)生或者降低紋波的數(shù)量級(jí)。有三種方法使得信號(hào)路徑的噪聲和紋波最 ?。悍浅Ｗ屑?xì)的系統(tǒng)PCB布局、恰當(dāng)?shù)碾娫磁月诽幚硪约罢_的電源選 擇。1）LDO能有效的降低紋波的量級(jí)，在使用時(shí)LD

8、O電路的輸入和輸出需要對(duì) 地并聯(lián)電解電容器，通常在lOOuF以上。較低內(nèi)阻（ESR）的大電容器一 般可以全面提高電源抑制比（PSRR）、噪聲以及瞬態(tài)性能。通常還要在大 電容旁邊并聯(lián)一個(gè)0. luF的陶瓷電容，以保證電源的高頻響應(yīng)能力。電容的位置盡量鼎近電源的輸入部分。2)值得一提的是，在信號(hào)回路上有寄生的低頻振蕩，一般是電源的低頻 內(nèi)阻太大，增加對(duì)地的電解電容器的容量，通?？梢越鉀Q；在信號(hào)回路上 有寄生的高頻振蕩，一般是電源的低高頻內(nèi)阻太大，增加對(duì)地的電解電容 器的容量，通?？梢越鉀Q；3) 若是LDO對(duì)信號(hào)回路進(jìn)行供電，LDO就不要再對(duì)CPU進(jìn)行供電，會(huì)影響 純凈的LDO輸出。陶瓷電容器是旁路

9、高頻的首選，其故障模式是斷路，ffl電容的故障模式 是短路，負(fù)責(zé)電路中的中頻紋波。陶瓷電容的ESR較低，大概在lOmQ級(jí) 別，電容的ESR大概在100m0級(jí)別，而且fi電容可以很容易做到lOuF 以上的量級(jí)，通常袒電容用在DC-DC中用的比較多。電解電容負(fù)責(zé)衰減低 頻的紋波，因?yàn)轭l率低，所以電解電容的位置要求不是很高，只要有效果 都差不多。(4) DC/DC學(xué)問多DC/DC的紋波比較大的原因是斬波頻率造成的，所以在選擇DC/DC芯 片時(shí)候要盡可能選擇頻率較高的，有以下好處：紋波頻率也高，更容易濾除；可以選擇低電感值，這樣會(huì)有更強(qiáng)負(fù)載能力: 可以實(shí)現(xiàn)用小的電容實(shí)現(xiàn)理想的濾波效果； 自損耗電流也大

10、；頻率超頻率拓，頻率咼，頻率咼，1)2)3)4)若是想最大限度的降低DC/DC或者其他分立元件電源部分的紋波，可 以在電源的輸入端加入RC濾波電路，能起到很好的濾波效果。對(duì)于DC/DC還要多說一點(diǎn)就是，每款DC/DC芯片的轉(zhuǎn)換效率和壓差也 有關(guān)系，壓差越小，轉(zhuǎn)換效率高，如下圖2的MP2359的轉(zhuǎn)換效率和壓差 之間的關(guān)系。而且在某個(gè)輸出電流值時(shí)具有最大的轉(zhuǎn)換效率。所以先估算 總體功耗，然后對(duì)應(yīng)系統(tǒng)最大的功耗選擇在某一個(gè)電流值輸出效率最大的 一款DC/DC芯片。Efficiency vs Load Currents() AON也3I常Efficiency vs Load CurrentLOAD C

11、URRENT ( A)圖2效率與壓差之間的關(guān)系HI如 MMWOO 1VIN 24VIIH嚴(yán)N常IDC/DC也會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱問題，用DC/DC做電源的設(shè)備，通常體積小，散 熱更加困難。線性電源發(fā)熱加散熱片一般能對(duì)付過去。那么在工程上面評(píng) 價(jià)一個(gè)東西的散熱速度的指標(biāo)叫做“熱阻”，其定義為 反應(yīng)阻值熱量傳 遞能力的綜合參量，可見此參數(shù)應(yīng)該是越小越好的。單位為C/W,即物體 持續(xù)傳熱功率為1W時(shí)，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。所以超過400mA的DC/DC 電路，建議使用低熱阻的IC。DC/DC的芯片工作頻率越高，輸出電流越高，原因如下：1) DC/DC芯片的開關(guān)頻率越高，其產(chǎn)生的電源紋波越小，同時(shí)也越容 易控制住紋波；2) DC/DC外部一般都要配備一個(gè)儲(chǔ)存能量的電感，一般DC/DC .L：作頻 率越高，尺寸就可以選小些，且電感有一定的直流電阻，電流越大，發(fā)熱 量也越高。DC/DC芯片的工作頻率高的話，就越有可能使用小電感量的電感，而 且其直流電阻越小，發(fā)熱量也越小。對(duì)于使用大電流DC/DC悄況的方案， 若要是最大限度的降低紋波，可以將DC/DC周圍的器件的GND以最短路徑 連接在一起，實(shí)現(xiàn)以單點(diǎn)共地。因?yàn)檫@些導(dǎo)體存在一定的阻抗和感抗9單 點(diǎn)共地可以消除上述的影響。如下圖3是筆者曾經(jīng)設(shè)計(jì)的DC/DC電路，將 DC/DC周W器件的GND連接在一起