電源如同人類的循環系統,是能源輸入輸出的地方,若是電源設計不合理,或者能量輸出不足,帶給整個電子系統都是致命的。
對于線性電源來說,有些概念必須要注意,最大功耗 PD = | Vin - Vout | x Iout;熱阻是指熱量從器件的晶片上向外傳導時受到的阻力,其單位是℃/W。那么熱阻和最大功耗PD之間的關系就為 = ( TJ - TA )/ PD,其中TJ 是結溫,TA是工作溫度。
根據上面的公式,我們來計算一下常用的芯片AMS1117標稱最大能夠達到1A的電流輸出,看一下實際能夠達到多大。(假設是5V穩到3.3V)
首先對應手冊,找出熱阻和結溫度,如下圖1所示。其中 = 90 ℃/W,結溫度TJ = 150℃,工作溫度TA = 25℃,根據上述公式得到PD = 1.39W,那么 Iout = 1.39 / (5 — 3.3) = 816.99mA,也就是說標稱最大達到1A的AMS1117正常工作時能夠達到800mA左右,筆者常常在對電源芯片最大輸出電流打八折算,也就是最大輸出電流1A,實際上也就是到800mA左右。
圖1 AMS1117的熱阻
(1)電源余量要留足
電源一定要留足余量,一般要比負載的峰值耗電至少多20%,這樣比較安全,不會發生意想不到的故障。
電源余量不足時,電源會工作在極限狀態,電源的紋波會劇烈上升,達到幾百mV甚至幾V。所以在確定電源輸入之前,最好先估計整個板子系統上面的最大功耗。
1)對一個電子系統,認真分析電源需求,包括輸入電壓,輸出電壓和電流,總功耗,電源實現的效率,電源部分對負載變換的瞬態響應能力,關鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應允許的電源紋波,還有散熱問題等等。
在評估時不僅僅要關注滿負載,也要關注輕負載的效率水平。CPU在啟動時往往需要較大的電流,若是電源的響應速度不夠,會造成瞬間電壓下降過多,造成CPU出錯。、
2)確定合理的電源電路實現方案。對于弱電部分,基本上實現的方案包括LDO和DC-DC實現方案,LDO的優點是輸出的紋波較小,缺點效率不高,發熱量大,提供的電流不比DCDC大。DC-DC與LDO相比,紋波較大,這也是 DC-DC最大的缺點,優點正好應對LDO的缺點。
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,避免對板上的其他器件造成干擾;
2)功率器件的線路的寬度應該寬一些,實現大電流的留出;
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,走線期間最好不要實現分叉,盡量從源端流出;
(2)紋波問題要注意
理想的直流電源輸出的電源應該是純正的直流,沒有絲毫的雜波。但是實際中,電源內部總會有內阻,在給負載供電時電流會隨著負載的變化而變化,在電源就會以紋波噪聲的形式體現出來。而且有些電源本身就會有輸出的波動,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。純正的直流電壓等于一個常數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后面的實際上就是一個紋波信號的傅里葉展開式。
電源紋波所帶的影響:
1)視頻系統中,圖像有條紋;
2)音頻系統中,揚聲器參雜有其他雜聲;
3)A/D轉換精度不夠;
4)電路板上某個模塊失靈;
導致電源紋波的一些原因:
1)電源容量不足,導致紋波增大;
2)系統內的高速時鐘信號和數據信號本身就會產生噪聲,反向影響到電源部分;
3)PCB的印制線和連接線不恰當,影響大電源紋波;
4)數字IC,如FPGA在高速運行時具有很快的跳變沿,瞬時電流也大幅度變化,產生電磁干擾串擾影響到其他部件。
(3)鎮壓紋波勢在必行
上面已經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生或者降低紋波的數量級。有三種方法使得信號路徑的噪聲和紋波最小:非常仔細的系統PCB布局、恰當的電源旁路處理以及正確的電源選擇。
1)LDO能有效的降低紋波的量級,在使用時LDO電路的輸入和輸出需要對地并聯電解電容器,通常在100uF以上。較低內阻(ESR)的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(PSRR)、噪聲以及瞬態性能。通常還要在大電容旁邊并聯一個0.1uF的陶瓷電容,以保證電源的高頻響應能力。電容的位置盡量靠近電源的輸入部分。
2)值得一提的是,在信號回路上有寄生的低頻振蕩,一般是電源的低頻內阻太大,增加對地的電解電容器的容量,通常可以解決;在信號回路上有寄生的高頻振蕩,一般是電源的低高頻內阻太大,增加對地的電解電容器的容量,通常可以解決;
3)若是LDO對信號回路進行供電,LDO就不要再對CPU進行供電,會影響純凈的LDO輸出。
陶瓷電容器是旁路高頻的首選,其故障模式是斷路,鉭電容的故障模式是短路,負責電路中的中頻紋波。陶瓷電容的ESR較低,大概在10mΩ級別,鉭電容的ESR大概在100mΩ級別,而且鉭電容可以很容易做到10uF以上的量級,通常鉭電容用在DC-DC中用的比較多。電解電容負責衰減低頻的紋波,因為頻率低,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芯片時候要盡可能選擇頻率較高的,有以下好處:
1) 頻率高,紋波頻率也高,更容易濾除;
2) 頻率高,可以選擇低電感值,這樣會有更強負載能力;
3) 頻率高,可以實現用小的電容實現理想的濾波效果;
4) 頻率高,自損耗電流也大;
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。
對于DC/DC還要多說一點就是,每款DC/DC芯片的轉換效率和壓差也有關系,壓差越小,轉換效率高,如下圖2的MP2359的轉換效率和壓差之間的關系。而且在某個輸出電流值時具有最大的轉換效率。所以先估算總體功耗,然后對應系統最大的功耗選擇在某一個電流值輸出效率最大的一款DC/DC芯片。
圖2 效率與壓差之間的關系
DC/DC也會出現發熱問題,用DC/DC做電源的設備,通常體積小,散熱更加困難。線性電源發熱加散熱片一般能對付過去。那么在工程上面評價一個東西的散熱速度的指標叫做“熱阻”,其定義為 反應阻值熱量傳遞能力的綜合參量,可見此參數應該是越小越好的。單位為℃/W,即物體持續傳熱功率為1W時,導熱路徑兩端的溫差。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芯片的開關頻率越高,其產生的電源紋波越小,同時也越容易控制住紋波;
2)DC/DC外部一般都要配備一個儲存能量的電感,一般DC/DC工作頻率越高,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,發熱量也越小。對于使用大電流DC/DC情況的方案,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,實現以單點共地。因為這些導體存在一定的阻抗和感抗,單點共地可以消除上述的影響。如下圖3是筆者曾經設計的DC/DC電路,將DC/DC周圍器件的GND連接在一起,通過0Ω電阻R16實現單點共地。
圖3 DC/DC降低紋波電路
(5)容忍紋波范圍
其實沒有紋波的電源是不存在,上面也講了很多關于降低紋波的方法,紋波是一定要降低的,大多數器件都有一個容忍紋波的范圍,只要在器件所容忍的紋波范圍之內,都是可以接受的。
所以對于5V供電,電源紋波應該在50mV以下,3.3V供電,電源輸入部分的紋波應該在20mV以下。
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