板載電源設(shè)計(jì)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(dòng)設(shè)計(jì)

　　熱拔插系統(tǒng)在單板插入瞬間，單板上的電容開(kāi)始充電。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?，?huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電壓瞬間跌落。同時(shí)因?yàn)殡娫醋杩购艿?，充電電流?huì)非常大，快速的充電會(huì)對(duì)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(xiǎn)絲進(jìn)行過(guò)流保護(hù)， 瞬態(tài)電流有可能導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷， 而選擇大電流的保險(xiǎn)絲會(huì)使得在系統(tǒng)電流異常時(shí)可能不熔斷，起不到保護(hù)作用。所以，在熱拔插系統(tǒng)中電源必須采用緩啟動(dòng)設(shè)計(jì)，限制啟動(dòng)電流，避免瞬態(tài)電流過(guò)大對(duì)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(jì)中，建議采用開(kāi)關(guān)電源，避免使用 LDO

　　采用線(xiàn)性電源(包括 LDO)可以得到較低的噪聲，而且因?yàn)槭褂煤?jiǎn)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(shí)鐘部分的電源等都使用線(xiàn)性電源從更高電壓的電源上調(diào)整得到。線(xiàn)性電源的基本原理如圖所示。輸出電壓經(jīng)過(guò)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(jìn)行減法運(yùn)算，差值經(jīng)過(guò)放大后控制推動(dòng)管上的電壓降

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

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

　　由圖中可見(jiàn)，負(fù)載電流全部流過(guò)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(dāng)電壓差較大時(shí)，或者負(fù)載電流較大時(shí)，穩(wěn)壓器將承受較大的功率耗散。

　　LDO必須計(jì)算熱耗并滿(mǎn)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(xiàn)性電源時(shí)電源功率的計(jì)算不能使用負(fù)載電壓和電流的乘積計(jì)算，必須采用線(xiàn)性電源輸入電壓和負(fù)載電流的乘積計(jì)算采用線(xiàn)性電源時(shí)電源功率的計(jì)算不能使用負(fù)載電壓和電流的乘積計(jì)算，必須采用線(xiàn)性電源輸入電壓和負(fù)載電流的乘積計(jì)算。必須經(jīng)過(guò)計(jì)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(fù)載電流為 1.5A，負(fù)載上耗散的功率為 1.8W。此時(shí) LDO 上承擔(dān)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(dá)到約 120℃。對(duì) LDO 必須通過(guò)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(duì)于線(xiàn)性電源的原理參見(jiàn)參考文檔《電源是怎樣煉成的》PPT教程 。 )

　　采用開(kāi)關(guān)電源能夠達(dá)到很高的效率，對(duì)大電流及大壓差的場(chǎng)合，推薦采用開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如果電路對(duì)紋波要求較高， 可以采用開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源串聯(lián)使用的方法， 采用線(xiàn)性電源對(duì)開(kāi)關(guān)電源的噪聲進(jìn)行抑制。

　　2、LDO 輸出端濾波電容選取時(shí)注意參照手冊(cè)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(gè)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(fù)載的變化提供瞬態(tài)電流，同時(shí)因?yàn)檩敵鲭娙萏幱陔妷悍答佌{(diào)節(jié)回路之中，在部分 LDO 中，對(duì)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(mǎn)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(gè)電容并聯(lián)，以及對(duì)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(duì)于某些線(xiàn)性穩(wěn)壓電源，輸出端電容的 ESR 太低，也可能會(huì)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(shí)電阻、電感和磁珠必須考慮其電阻產(chǎn)生的壓降

　　對(duì)電源要求較高的場(chǎng)合以及需要將噪聲隔離在局部區(qū)域的場(chǎng)合， 可以采用無(wú)源濾波電路。 在采用無(wú)源濾波電路時(shí)，推薦采用磁珠進(jìn)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(duì)較低，成本也較便宜。在選擇濾波器件時(shí)，優(yōu)選磁珠。選擇電阻和電容構(gòu)成無(wú)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(fù)載電流將在電阻上形成壓降，導(dǎo)致負(fù)載電壓跌落。無(wú)論是采用何種濾波器，都需要考慮負(fù)載電流在電感、磁珠或者電阻上的壓降，確認(rèn)濾波后的電壓能夠滿(mǎn)足后級(jí)電路工作的要求。例如在某單板鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)某型號(hào)光模塊當(dāng)光纖插上時(shí) SD(光檢測(cè))信號(hào)上升緩慢，不能正確反映實(shí)際情況的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)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(hào)光模塊上會(huì)出現(xiàn) SD 上升緩慢的故障。

　　另外，對(duì)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(shí)應(yīng)采用多種容量的電容并聯(lián)，并局部鋪銅的方式達(dá)到目標(biāo)阻抗。 (參見(jiàn)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片濾波電路設(shè)計(jì)部分) 。在某單板上，采用了磁珠和 0.1u 電容為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片提供濾波。經(jīng)過(guò)測(cè)試，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片管腳上的紋波高達(dá) 1V 以上。采用多電容并聯(lián)的方式可以有效地為時(shí)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(zhǎng)，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(jiàn) Sanyo 公司 OSCON 器件手冊(cè)和 AVX 公司鉭電容器件手冊(cè)) 。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(diǎn)一般能夠到達(dá)數(shù)十至數(shù)百 MHz(參見(jiàn)參考文獻(xiàn)《High-speed Digital Design》以及 AVX 等公司陶瓷電容器件手冊(cè)) ，可以用于給高頻信號(hào)提供低阻抗的回流路徑，濾除信號(hào)上的高頻干擾成分。因此，在應(yīng)用大容量電容(電解電容)時(shí)，應(yīng)在電容上并聯(lián)小容量瓷片電容使用。

　　3、輸入電容

　　計(jì)算輸入電容的紋波電流，這個(gè)推導(dǎo)的過(guò)程，利用到積分公式。通過(guò)分析和推導(dǎo)，可以對(duì)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：