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良好的电源设计分析

[日期:2014-09-25] 来源:  作者: [字体: ]

     电源是一个系统的基础,一个良好的电源设计是系统稳定运行的前提。在实际项目中,用到最多的电源结构应该就是外接适配器提供一个DC输入,电压可以是5V,9V,12V等等。然后在我们的PCB设计中通过各种不同的DC-DC或者LDO芯片来转换出我们系统需要的各路电源。因此,我们接触最多的应该就是DC-DC和LDO电源电路的设计。下面简单提一些容易忽略的细节,稍作改善,就能让我们的电源设计更合理,提升电源部分的性能,使系统更稳定。

 

    说到电源,先要说的就是DC-DC和LDO两种电源芯片的选择。两种电源的优缺点都非常明显。DC-DC最大的优点就是效率高,可以输出大电流,电源效率普遍能够做到百分之九十左右,有些甚至可以达到九十五以上。缺点也比较明显,需要用到的外围器件多,所占PCB面积大,成本高,由于开关的存在滤波控制不好的话会给系统引入噪声等等。LDO则正好相反,外围器件简单,占用面积小,成本低,没有开关,输出电源的线性度更好,但是效率取决于输入和输出电压的压差,压差大效率就低。通过比较我们可以大致做出电源的选择。如果电源压差较小,或者电流较小,使用LDO是个不错的选择。如果压差较大,或者电流较大,那么一般会推荐使用DC-DC。

    LDO电源设计简单,成本低,外围电路一般只需要几颗旁路电容就够了。虽然设计简单,但还是有些具体的地方需要注意。第一个要考虑的就是散热。由于LDO的特性决定,压差部分的功耗是要通过芯片本身的散热释放出去的。如果压差和电流较大,那么器件上消耗的功耗就会比较大,散热我们就不能不考虑。举例说明,如果我们用3.3V通过LDO降压到1.2V,电流是800mA,那么芯片上消耗的功率就是(3.3-1.2)*0.8=1.68W,这么大的功率消耗,如果在PCB设计的时候没有留下足够的散热空间,那么随着系统的运行,LDO芯片就会越来越烫。虽然很多LDO的截止温度能达到125度,但是长时间在高温下运行,会严重影响系统寿命。调试阶段也难免会烫伤到自己。为了系统和自身的安全,保证LDO的良好散热是我们在做PCB的时候要考虑到的问题,又是我们容易忽略的地方。第二个要考虑的是LDO器件的压差。以我们常用的1117为例,能做到的最小压差是1V。那么如果我们要用3.3V降压到2.5V选择1117是不合适的。得到的结果只能是2.3V左右,还要和你的电流有关。当然现在新出的LDO在压差方面有了很大的改进,最小压降有些已经做到了100mV,能满足大多数应用的需求。第三个要考虑的是旁路电容的选择。LDO芯片的外围电路就是几颗旁路电容。这几颗电容的选择也要参考器件的Datasheet,一般都会有容量和型号的推荐。还是以1117为例,各家公司推出的1117虽然功能差不多,但是在输出旁路电容的选择上也会有所区别,有些要求输出旁路电容采用10UF以上的钽电容,如果采用电解电容则容量要求更高,有些要求电容的ESR大小在一定范围,已获得更好的高频响应。这些细节是我们在选择器件的时候需要认真在datasheet里面找答案的。

    DC-DC的应用比LDO要稍微复杂一些,需要注意的地方也更多。我们先来看看走线对电路尤其是对电源电路的影响。PCB上的走线都会存在一定的走线电感,根据走线的宽度,厚度,和几何形状的不同,走线电感也会不同。一个简单的经验值是1oz的铜厚,30mil的走线宽度,1inch的走线长度的走线电感大约为20nH。这个电感值似乎并不大,但我们来看看在电源芯片上产生的影响。DC-DC通常都会应用在大电流的应用场景。我们来假设一个2A的应用环境。DC-DC要能够保证系统从0A到2A之间电流需求的供应。那么1inch长度的走线会使电压产生多大的偏移,我们可以带入下面的计算公式:

    V=L*di/dt

    其中L是走线电感,di是电流变化量,dt是开关转换速度。DC-DC的开关转换速度一般可以取值30ns来计算。带入公式我们可以得出V=20nH*2A/30ns=1.33V!

    通过计算我们可以看出来,即使是1inch的走线,由于电源部分的走线的电流很大,一样会引起电压很大的偏移。这样的偏移严重的会导致电源彻底失效。在上面的这几个变量里,电流变化量是系统决定的我们不能改变,开关转换速度是由电源芯片决定的,虽然有些芯片可以在一定范围内调整,但是如果转换速度过慢,开关损耗又是我们不能不考虑的问题,这个值也不会带来很大改善,那么我们能做的自然就是尽量的减小走线距离了。通过上面的计算我们还应该看到的就是,电源部分那些电流较大的走线我们需要更加注意,另外一些走线比如使能信号等小信号的走线就可以作为次要考虑。除了走线的影响以外,过孔一样存在一定的寄生电感,那么在大电流的路径上尽量减少过孔的使用,当然也不能教条。如果由于不用过孔导致的绕线距离过长,那就得不偿失了。基本原则就是看哪种方式的影响更小。一个有用的经验值就是50mil板厚内径为10mil的过孔寄生电感大约为1nH。另外一个建议就是如果一定要使用过孔,多个过孔并联优于单个过孔。这个很容易理解,多个过孔并联,相当于降低了寄生电感感值。

    下面再来看看DC-DC开关频率。DC-DC电源的开关频率越高,所需要的电感体积和感值就越小。但并不是说DC-DC的开关频率越高越好。因为过高的开关频率,同样会引入开关噪声,如果系统的敏感频率恰好在这个范围,那么开关频率和它的谐波就会对系统产生影响。另外开关频率过高,开关损耗也会增加,效率降低。这里我们要弄清楚的是开关频率和开关转换速度的区别。做个简单的类比,开关频率就像我们信号的频率,开关转换速度就像是信号的上升沿。开关转换速度越快,就相当于信号的上升沿越陡,其中包含的频率分量越丰富,引入系统的噪声越大。一般来说,开关转换速度对系统的影响要比开关频率还要大,更应该引起我们的注意。

    下面简单说说电容的选择。在没有尺寸和成本限制的情况下多放几颗/几种电容,对供电系统来说不是什么坏事。但是更多的设计里面都不会这么自由,很多消费电子的设计,对每一颗电容的成本都会斤斤计较。这些时候我们就需要通过计算,仿真等手段来确定系统所需电容的容值和数量。要想得到准确的结果,我们需要清楚系统的工作频率,电压波动容忍度,电流瞬态变化量等等,也就是说我们要对自己的系统有很深入的理解。对于一些简单的系统,如果对电流的需求不是很高,免去复杂的计算,可以在设计的时候按照几个数量级放置几种不同的电容,一般情况下是能够正常工作的。

最后再说一下电感。电感的选择在电源芯片的Datasheet里都会有详细的介绍,根据开关频率的不同选择的感值和封装都会有所区别。提一个容易被忽视的地方。一般的概念里电感是没有方向的,电感的两端是一样的。实际上并不是这样。一般的电感会有一个磁芯,电线缠绕在磁芯周围。那么电线总有一个起始端一个结束端。起始端的电线缠绕在磁芯的内侧,结束端的电线缠绕在磁芯的外侧。那么把电感的起始端连接在DC-DC的开关节点一端,结束端连接在DC-DC的输出电压一端,这样输出电压在物理上可以对开关节点电压有一定的屏蔽作用,降低电源系统的EMI。一般电感的起始端会有一个白点作为标注,可以注意一下。

    就电源设计来说,充分考虑以上提到的几个方面,优化器件的布局,让大电流走线和开关走线尽量短,选择合适的器件,就能有效的减小电源出错的可能性。


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