科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，需要工程師的能力也越來越高,，對于一個(gè)電子工程師來說,，電源部分的設(shè)計(jì)才是工作的核心，為此,，我想通過本篇文章的幾個(gè)問題和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計(jì)的心得，讓我們在電源設(shè)計(jì)方面能夠都有所深入和長進(jìn),。

    Q1：如何來評估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求

    Answer：對于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng),，要認(rèn)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(xì)考慮總的功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率,，電源部分對負(fù)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(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少,，對于整個(gè)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(shí),，評估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平,。

    至于負(fù)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?yàn)楫?dāng)CPU突然開始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí),，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(yùn)行出錯(cuò),。

    一般來說，要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的+-5%，所以可以據(jù)此計(jì)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(jì)算也是可以評估是否合適的,。

    Q2：如何選擇合適的電源實(shí)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(shí)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(jì)最易實(shí)現(xiàn),，輸出紋波小，但缺點(diǎn)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(jì)靈活,，效率高,，但紋波大，實(shí)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(jì)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(shí)只要了解了，使用一個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的,。

    一個(gè)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(jì)，但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些,。

    開關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng),，所以一般都會有一個(gè)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(jì)在于保證精確的采樣電路,，還有來控制反饋深度,，因?yàn)槿绻答伃h(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(jì)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(gè)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(jì)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(yàn)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(rèn)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(hù)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(hù)建筑物的作用,。同時(shí),，接地也是保護(hù)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(shí),，設(shè)備的外殼就會有危險(xiǎn)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(hù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)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(jì)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(yùn)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(diǎn)’;對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說,，它常常是機(jī)柜或機(jī)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(gè)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(hù)地或機(jī)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(hù)地,。

    Q4：合適的接地方式

    Answer：接地有多種方式,，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地,。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地,。一般來說，單點(diǎn)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(f10MHz)電路時(shí)就要采用多點(diǎn)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(gè)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(gè)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(qiáng)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(shí)候要盡可能減小電源回路和信號回路面積,。

    第二，對于一個(gè)高速信號來說,，提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因?yàn)镻CB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來計(jì)算的,，如果高速線附近有連續(xù)的地平面,，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發(fā)生變化,，不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性,。所以，布線的時(shí)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(shí)候盡量不要跨電源分割,，這也是因?yàn)樾盘柨缭搅瞬煌娫磳雍螅幕亓魍緩骄蜁荛L了,，容易受到干擾,。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割,，對于低速的信號是可以的,，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認(rèn)真檢查,，盡量不要跨越,，可以通過調(diào)整電源部分的走線。(這是針對多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說的)

    Answer：對于一般器件來說,，就近接地是最好的,，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)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(xù)性,，減少過孔數(shù)量;靠近地平面或者電源平面，等等,。

    Q6：為什么要將模擬地和數(shù)字地分開,，如何分開?

    Answer：模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號變化速度快,，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大,，而模擬信號是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)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(shù)字地要分開處理,，然后通過細(xì)的走線連在一起,，或者單點(diǎn)接在一起?？偟乃枷胧潜M量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上,。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開,，如果模擬部分附近的數(shù)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,，就近接地是最好的,，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)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(xù)性,，減少過孔數(shù)量;靠近地平面或者電源平面，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(wǎng)口RJ45連接器等等,，如果對它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會影響到正常工作,，例如網(wǎng)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(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地,，與信號地的連接采用細(xì)的走線連接,，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)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的濾波也要認(rèn)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?yàn)樾盘柕厣嫌懈鞣N的噪聲,，如果屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾,，所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源,。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。以上就是整理的一些工程師的電源設(shè)計(jì)新的,，對于初學(xué)者來說,，有一定的幫助。