不可多得的電源設計心得

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不可多得的電源設計心得

對于現在一個電子系統來說，電源適配器部分的設計也越來越重要，我想通過和大家探討一些自己關于電源適配器設計的心得，來個拋磚引玉，讓我們在電源適配器設計方面能夠都有所深入和長進。

Q1：如何來評估一個系統的電源適配器需求?
Answer：對于一個實際的電子系統，要認真的分析它的電源適配器需求。不僅僅是關心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細考慮總的功耗，電源適配器實現的效率，電源適配器部分對負載變化的瞬態響應能力，關鍵器件對電源適配器波動的容忍范圍以及相應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，對于整個系統的功率預算就非常有利了，對比LDO 和開關電源適配器，開關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，還要關注輕負載的時候效率水平。
至于負載瞬態響應能力，對于一些高性能的 CPU 應用就會有嚴格的要求，因為當 CPU 突然開始運行繁重的任務時，需要的啟動電流是很大的，如果電源適配器電路響應速度不夠，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%，所以可以據此計算出允許的電源適配器紋波，當然要預留余量的。
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電路
Answer：根據分析系統需求得出的具體技術指標，可以來選擇合適的電源適配器實現電路了。一般對于弱電部分，包括了 LDO(線性電源適配器轉換器)，開關電源適配器電容降壓轉換器和開關電源適配器電感電容轉換器。相比之下， LDO 設計較易實現，輸出紋波小，但缺點是效率有可能不高，發熱量大，可提供的電流相較開關電源適配器不大等等。而開關電源適配器電路設計靈活，效率高，但紋波大，實現比較復雜，調試比較煩瑣等等。

Q3：如何為開關電源適配器電路選擇合適的元器件和參數
Answer：很多的未使用過開關電源適配器設計的工程師會對它產生一定的畏懼心理，比如擔心開關電源適配器的干擾問題， PCBlayout 問題，元器件的參數和類型選擇問題等。其實只要了解了，使用一個開關電源適配器設計還是非常方便的。
一個開關電源適配器一般包含有開關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 設計，但是設計的靈活性就減少了一些。
開關控制器基本上就是一個閉環的反饋控制系統，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的控制電路。因此這部分的設計在于保證精確的采樣電路，還有來控制反饋深度，因為如果反饋環響應過慢的話，對瞬態響應能力是會有很多影響的。
而輸出部分設計包含了輸出電容，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)，但是高的開關頻率會增加干擾和對 MOSFET 的開關損耗，從而效率降低。使用低的開關頻率帶來的結果則是相反的。
對于輸出電容的 ESR 和 MOSFET 的 Rds_on 參數選擇也是非常關鍵的，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。開關電源適配器控制器驅動能力也要注意，過多的 MOSFET 是不能被良好驅動的。
一般來說，開關電源適配器控制器的供應商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒的。

Q4：如何調試開關電源適配器電路
Answer：有一些經驗可以共享給大家
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，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試，避開后面電路的影響。
2: 一般來說開關控制器是閉環系統，如果輸出惡化的情況超過了閉環可以控制的范圍，開關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，會產生很多的電源適配器紋波，這也會影響開關電源適配器的工作的。

接地技術的討論

Q1：為什么要接地?
Answer：接地技術的引入較初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施，目的是把雷電產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)和設備外殼碰觸時，設備的外殼就會有危險電壓產生，由此生成的故障電流就會流經 PE 線到大地，從而起到保護作用。隨著電子通信和其它數字領域的發展，在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。比如在通信系統中，大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設備的復雜化，信號頻率越來越高，因此，在接地設計中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關注，否則，接地不當就會嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性。較近，高速信號的信號回流技術中也引入了“地”的概念。

Q2：接地的定義
Answer: 在現代接地概念中、對于線路工程師來說，該術語的含義通常是‘線路電壓的參考點’;對于系統設計師來說，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單點接地和并聯單點接地。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分，以及低頻(f<1MHz)電子線路。當設計高頻(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鍵。
第一，根據公式可以知道，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的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發生變化，不連續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，因為產生的干擾相比信號可以不予關心。對于高速信號就要認真檢查，盡量不要跨越，可以通過調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性，減少過孔數量;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字地分開，如何分開?
Answer：模擬信號和數字信號都要回流到地，因為數字信號變化速度快，從而在數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字地必須分開，如果模擬部分附近的數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性，減少過孔數量;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，網口 RJ45 連接器等等，如果對它們的接地設計得不好也會影響到正常工作，例如網口互連有誤碼，丟包等，并且會成為對外的電磁干擾源，把板內的噪聲向外發送。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，噪聲電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設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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| 發布時間：2018.06.14 來源：國家信息技術設備質量監督檢驗中心

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