硬件開發(fā)的基本準(zhǔn)則

如何設(shè)計一個合適的電源

對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說，電源部分的設(shè)計也越來越重要，我想通過和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計的心得，來個拋磚引玉，讓我們在電源設(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，電源實現(xiàn)的效率，電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，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，開關(guān)電源的效率要高一些。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(yán)格的要求，因為當(dāng)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，要求的電源實際值多為標(biāo)稱值的＋－5%，所以可以據(jù)此計算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。

散熱問題對于那些大電流電源和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(biāo)，可以來選擇合適的電源實現(xiàn)電路了。一般對于弱電部分，包括了LDO（線性電源轉(zhuǎn)換器），開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(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)電源不大等等。而開關(guān)電源電路設(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)電源設(shè)計的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問題，PCB layout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)電源設(shè)計還是非常方便的。

一個開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源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)電源電路

Answer：有一些經(jīng)驗可以共享給大家

1: 電源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)生很多的電源紋波，這也會影響開關(guān)電源的工作的。

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(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，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(zhǔn)‘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(dāng)就會嚴(yán)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“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（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（f1MHz）電子線路。當(dāng)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

Answer：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回路和信號回路面積。