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这五点致命的要点需要在电源设计中引起注意

发布日期:2019-10-12 11:29 来源:和记h88 发布人:和记娱乐 点击:

  电源如同人类的循环系统,是能源输入输出的地方,若是电源设计不合理,或者能量输出不足,带给整个电子系统都是致命的。

  对于线性电源来说,有些概念必须要注意,最大功耗 PD = Vin - Vout x Iout;热阻是指热量从器件的晶片上向导时受到的阻力,其单位是℃/W。那么热阻和最大功耗PD之间的关系就为

  根据的公式,我们来计算一下常用的芯片AMS1117标称最大能够达到1A的电流输出,看一下实际能够达到多大。(假设是5V稳到3.3V)

  = 90 ℃/W,结温度TJ  = 150℃,工作温度TA  = 25℃,根据上述公式得到PD = 1.39W,那么 Iout = 1.39 / (5 — 3.3) = 816.99mA,也就是说标称最大达到1A的AMS1117正常工作时能够达到800mA左右,笔者常常在对电源芯片最大输出电流打八折算,也就是最大输出电流1A,实际上也就是到800mA左右。

  电源一定要留足余量,一般要比负载的峰值耗电至少多20%,这样比较安全,不会发生意想不到的故障。

  电源余量不足时,电源会工作在极限状态,电源的纹波会剧烈上升,达到几百mV甚至几V。所以在确定电源输入之前,最好先估计整个系统的最大功耗。

  1)对一个电子系统,认真分析电源需求,包括输入电压,输出电压和电流,总功耗,电源实现的效率,电源部分对负载变换的瞬态响应能力,关键器件对电源波动的范围以及相应允许的电源纹波,还有散热问题等等。

  在评估时不仅仅要关注满负载,也要关注轻负载的效率水平。CPU在启动时往往需要较大的电流,若是电源的响应速度不够,会造成瞬间电压下降过多,造成CPU出错。

  2)确定合理的电源电实现方案。对于弱电部分,基本上实现的方案包括LDO和DC-DC实现方案,LDO的优点是输出的纹波较小,缺点效率不高,发热量大,提供的电流不比DCDC大。DC-DC与LDO相比,纹波较大,这也是 DC-DC最大的缺点,优点正好应对LDO的缺点。

  理想的直流电源输出的电源应该是纯正的直流,没有丝毫的杂波。但是实际中,电源内部总会有内阻,在给负载供电时电流会随着负载的变化而变化,在电源就会以纹波噪声的形式体现出来。而且有些电源本身就会有输出的波动,这同样也是纹波。

  那么什么是纹波?纹波就是在直流中参杂的小幅度交流信号。纯正的直流电压等于一个C,有纹波的电压其输出公式就为:V = C + sinA /a + sinB/b + sinC/c + sinD/d +........;C后面的实际上就是一个纹波信号的傅里叶展开式。

  4)数字IC,如FPGA在高速运行时具有很快的跳变沿,瞬时电流也大幅度变化,产生电磁干扰串扰影响到其他部件。

  已经讲述了纹波所带来的危害是极大的,所以必须要减少纹波的产生或者降低纹波的数量级。有三种方法使得信号径的噪声和纹波最小:非常仔细的系统PCB布局、恰当的电源旁处理以及正确的电源选择。

  1)LDO能有效的降低纹波的量级,在使用时LDO电的输入和输出需要对地并联电解电容器,通常在100uF以上。较低内阻(ESR)的大电容器一般可以全面提高电源比(PSRR)、噪声以及瞬态性能。通常还要在大电容旁边并联一个0.1uF的陶瓷电容,以电源的高频响应能力。电容的尽量靠近电源的输入部分。

  2)值得一提的是,在信号回上有寄生的低频振荡,一般是电源的低频内阻太大,增加对地的电解电容器的容量,通常可以解决;在信号回上有寄生的高频振荡,一般是电源的低高频内阻太大,增加对地的电解电容器的容量,通常可以解决;

  陶瓷电容器是旁高频的首选,其故障模式是断,钽电容的故障模式是短,负责电中的中频纹波。陶瓷电容的ESR较低,大概在10mΩ级别,钽电容的ESR大概在100mΩ级别,而且钽电容可以很容易做到10uF以上的量级,通常钽电容用在DC-DC中用的比较多。电解电容负责衰减低频的纹波,因为频率低,所以电解电容的要求不是很高,只要有效果都差不多。

  DC/DC的纹波比较大的原因是斩波频率造成的,所以在选择DC/DC芯片时候要尽可能选择频率较高的,有以下好处:

  若是想最大限度的降低DC/DC或者其他分立元件电源部分的纹波,可以在电源的输入端加入RC滤波电,能起到很好的滤波效果。

  对于DC/DC还要多说一点就是,每款DC/DC芯片的转换效率和压差也有关系,压差越小,转换效率高,如下图2的MP2359的转换效率和压差之间的关系。而且在某个输出电流值时具有最大的转换效率。所以先估算总体功耗,然后对应系统最大的功耗选择在某一个电流值输出效率最大的一款DC/DC芯片。

  DC/DC也会出现发热问题,用DC/DC做电源的设备,通常体积小,散热更加困难。线性电源发热加散热片一般能对付过去。那么在工程评价一个东西的散热速度的指标叫做“热阻”,其定义为 反应阻值热量传递能力的综合参量,可见此参数应该是越小越好的。单位为℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热径两端的温差。所以超过400mA的DC/DC 电,使用低热阻的IC。

  2)DC/DC外部一般都要配备一个储存能量的电感,一般DC/DC工作频率越高,尺寸就可以选小些,且电感有一定的直流电阻,电流越大,发热量也越高。

  DC/DC芯片的工作频率高的话,就越有可能使用小电感量的电感,而且其直流电阻越小,发热量也越小。对于使用大电流DC/DC情况的方案,若要是最大限度的降低纹波,可以将DC/DC周围的器件的GND以最短径连接在一起,实现以单点共地。因为这些导体存在一定的和感抗,单点共地可以消除上述的影响。如下图3是笔者曾经设计的DC/DC电,将DC/DC周围器件的GND连接在一起,通过0Ω电阻R16实现单点共地。

  其实没有纹波的电源是不存在,也讲了很多关于降低纹波的方法,纹波是一定要降低的,大多数器件都有一个纹波的范围,只要在器件所的纹波范围之内,都是可以接受的。

  所以对于5V供电,电源纹波应该在50mV以下,3.3V供电,电源输入部分的纹波应该在20mV以下。

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