板載電源設(shè)計的一些規(guī)范總結(jié)

　　熱插拔

　　1、熱拔插系統(tǒng)必須使用電源緩啟動設(shè)計

　　熱拔插系統(tǒng)在單板插入瞬間，單板上的電容開始充電。因為電容兩端的電壓不能突變，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的電壓瞬間跌落。同時因為電源阻抗很低，充電電流會非常大，快速的充電會對系統(tǒng)中的電容產(chǎn)生沖擊，易導(dǎo)致鉭電容失效。如果系統(tǒng)中采用保險絲進行過流保護， 瞬態(tài)電流有可能導(dǎo)致保險絲熔斷， 而選擇大電流的保險絲會使得在系統(tǒng)電流異常時可能不熔斷，起不到保護作用。所以，在熱拔插系統(tǒng)中電源必須采用緩啟動設(shè)計，限制啟動電流，避免瞬態(tài)電流過大對系統(tǒng)工作和器件可靠性產(chǎn)生影響。

　　LDO

　　1、在壓差較大或者電流較大的降壓電源設(shè)計中，建議采用開關(guān)電源，避免使用 LDO

　　采用線性電源(包括 LDO)可以得到較低的噪聲，而且因為使用簡單，成本低，所以在單板上應(yīng)用較多。FPGA 內(nèi)核電源、某些電路板上射頻時鐘部分的電源等都使用線性電源從更高電壓的電源上調(diào)整得到。線性電源的基本原理如圖所示。輸出電壓經(jīng)過采樣后和參考電源(由晶體管帶隙參考源或者

　　齊納二極管提供)進行減法運算，差值經(jīng)過放大后控制推動管上的電壓降

　　V dropout =V output -V input ， 使得當 V input 變化或者負載電流變化導(dǎo)致

　　V output 變化時，通過 V dropout 的變化保證 V output 的穩(wěn)定。

　　由圖中可見，負載電流全部流過調(diào)整管，而輸入電壓和輸出電壓之間的差異全部都加在調(diào)整管上。調(diào)整管上耗散的功率為 V dropout *I。當電壓差較大時，或者負載電流較大時，穩(wěn)壓器將承受較大的功率耗散。

　　LDO必須計算熱耗并滿足降額規(guī)范

　　另外，輸入的電源提供的功率為 V input *I，即采用線性電源時電源功率的計算不能使用負載電壓和電流的乘積計算，必須采用線性電源輸入電壓和負載電流的乘積計算采用線性電源時電源功率的計算不能使用負載電壓和電流的乘積計算，必須采用線性電源輸入電壓和負載電流的乘積計算。必須經(jīng)過計算和熱仿真確保系統(tǒng)的正常工作。

　　例如采用 1 只 TO-263 封裝的 LDO 將電壓從 3.3V 降到 1.2V，負載電流為 1.5A，負載上耗散的功率為 1.8W。此時 LDO 上承擔了 2.1V 壓降，耗散的功率 3.15W，3.3V 電源提供的功率為 4.95W!

　　封裝的熱阻約為 40℃/W，則如果不采取任何散熱措施，則溫升能夠達到約 120℃。對 LDO 必須通過熱仿真確定合適的散熱措施，并且在 3.3V 電源在預(yù)算中必須能夠提供 1.5A 的電流(或者 5W 以上的功率) ，保證系統(tǒng)的工作正常。 (對于線性電源的原理參見參考文檔《電源是怎樣煉成的》PPT教程 。 )

　　采用開關(guān)電源能夠達到很高的效率，對大電流及大壓差的場合，推薦采用開關(guān)電源進行轉(zhuǎn)換。如果電路對紋波要求較高， 可以采用開關(guān)電源和線性電源串聯(lián)使用的方法， 采用線性電源對開關(guān)電源的噪聲進行抑制。

　　2、LDO 輸出端濾波電容選取時注意參照手冊要求的最小電容、電容的 ESR/ESL 等要求確保電路穩(wěn)定。推薦采用多個等值電容并聯(lián)的方式，增加可靠性以及提高性能

　　LDO 輸出電容為負載的變化提供瞬態(tài)電流，同時因為輸出電容處于電壓反饋調(diào)節(jié)回路之中，在部分 LDO 中，對該電容容量有要求以確保調(diào)節(jié)環(huán)路穩(wěn)定。該電容容量不滿足要求，LDO 可能發(fā)生振蕩導(dǎo)致輸出電壓存在較大紋波。

　　多個電容并聯(lián)，以及對大容量電解電容并聯(lián)小容量的陶瓷電容，有利于減少 ESR 和 ESL，提高電路的高頻性能，但是對于某些線性穩(wěn)壓電源，輸出端電容的 ESR 太低，也可能會誘發(fā)環(huán)路穩(wěn)定裕量下降甚至環(huán)路不穩(wěn)定。

　　濾波電容

　　1、 電源濾波可采用 RC 、LC 、π 型濾波。電源濾波建議優(yōu)選磁珠，然后才是電感。同時電阻、電感和磁珠必須考慮其電阻產(chǎn)生的壓降

　　對電源要求較高的場合以及需要將噪聲隔離在局部區(qū)域的場合， 可以采用無源濾波電路。 在采用無源濾波電路時，推薦采用磁珠進行濾波。

　　磁珠和電感的主要區(qū)別是，電感的Q值較高，而磁珠在高頻情況下呈阻性，不易發(fā)生諧振等現(xiàn)象。

　　電感加工精度較高，而磁珠加工精度相對較低，成本也較便宜。在選擇濾波器件時，優(yōu)選磁珠。選擇電阻和電容構(gòu)成無諧振的一階 RC 低通濾波器，但是該電路只能應(yīng)用于電流很小的情況。負載電流將在電阻上形成壓降，導(dǎo)致負載電壓跌落。無論是采用何種濾波器，都需要考慮負載電流在電感、磁珠或者電阻上的壓降，確認濾波后的電壓能夠滿足后級電路工作的要求。例如在某單板鎖相環(huán)路設(shè)計中采用了一階 RC 濾波器，濾波電阻選擇12 歐姆。鎖相環(huán)中 VCXO 的工作電流約為 30mA，在濾波電阻上產(chǎn)生 300mV 的壓降，額定電壓 3.3V的 VCXO 實際工作電壓只有不到 3V，易發(fā)生停振等現(xiàn)象。在某光口子卡上，發(fā)生過某型號光模塊當光纖插上時 SD(光檢測)信號上升緩慢，不能正確反映實際情況的問題。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)濾波電感的直流電阻約為 3 歐姆， 光模塊工作電流約為 100mA， 電感上的壓降導(dǎo)致光模塊的工作電壓只有約 2.9V 左右，在該型號光模塊上會出現(xiàn) SD 上升緩慢的故障。

　　另外，對于濾波電路，應(yīng)保證電感、磁珠或者電阻后的電容網(wǎng)絡(luò)能夠保證關(guān)心的所有頻率下，都能夠保證低阻抗。必要時應(yīng)采用多種容量的電容并聯(lián)，并局部鋪銅的方式達到目標阻抗。 (參見時鐘驅(qū)動芯片濾波電路設(shè)計部分) 。在某單板上，采用了磁珠和 0.1u 電容為時鐘驅(qū)動芯片提供濾波。經(jīng)過測試，時鐘驅(qū)動芯片管腳上的紋波高達 1V 以上。采用多電容并聯(lián)的方式可以有效地為時鐘芯片提供去耦。

　　2、 大容量電容應(yīng)并聯(lián)小容量陶瓷貼片電容使用

　　大容量電容一般為電解電容，其體積較大，引腳較長，經(jīng)常為卷繞式結(jié)構(gòu)(鉭電容為燒結(jié)的碳粉和二氧化錳) 。這些電容的等效串聯(lián)電感較大，導(dǎo)致這些電容的高頻特性較差，諧振頻率大約在幾百 KHz到幾 MHz 之間(參見 Sanyo 公司 OSCON 器件手冊和 AVX 公司鉭電容器件手冊) 。小容量的陶瓷貼片電容具有低的 ESL 和良好的頻率特性，其諧振點一般能夠到達數(shù)十至數(shù)百 MHz(參見參考文獻《High-speed Digital Design》以及 AVX 等公司陶瓷電容器件手冊) ，可以用于給高頻信號提供低阻抗的回流路徑，濾除信號上的高頻干擾成分。因此，在應(yīng)用大容量電容(電解電容)時，應(yīng)在電容上并聯(lián)小容量瓷片電容使用。

　　3、輸入電容

　　計算輸入電容的紋波電流，這個推導(dǎo)的過程，利用到積分公式。通過分析和推導(dǎo)，可以對電路的工作原理有比較透徹的理解。

　　如果考慮輸出紋波電流。那么電容上的紋波電流的波形為：