复杂电路接地和供电的实用方法

作者: Nicholaus W Smith

随着电子产品尺寸变得越来越紧凑、功能越来越强大、用途更加广泛，最终的系统级要求，以及移动和固定设备的复杂性也变得日益突出。这种复杂性来源于要求在模拟和数字电路之间实现无线和有线的互连，需要系统工程师使用多个电源轨和混合电路设计。具有模拟和数字信号的电路一般倾向于设置几个接地参考，这样经常导致电路杂乱无章，设计目的无法实现，表面上看上去很可靠的方案却最终成为故障之源。

为了打牢复杂电路系统坚实的工程化基础，必须要使电源和接地解决方案主动地去按照工程化要求实施来优化性能和散热问题，同时减少EMI辐射和信号的噪声干扰。本文将从功率传输的角度来阐述如何优化复杂电路，以便能够改善信号完整性，使各个功能模块正确接地来实现最终的系统设计。这里将重点放在理解电路的需求和预先规划最终的系统，因为这两个步骤的结果是有效地把图纸转变为最终的印刷电路板。在设计阶段花一些时间从电流路径和噪声敏感性的角度来考虑一个复杂系统的每个功能模块，然后根据电流总是在一个循环回路中流动的简单公理来设置这些模块及供电电路，这样当今系统工程师所面对的复杂电路就可以分解为许多可管理的部分，以便实现最终的可靠设计。

简单电路的电源和接地分析

为了证明该理论，让我们来看一个简单的电路并考虑所示的连接。该基本电路包括三个要素，一个低压差(LDO)线性调节器，一个微处理USB数据线接到音频驱动器，和一个扬声器，所有这些都由一个连接到某个计算主机的USB插头供电。在本例中，USB到音频驱动器必须用3.3V供电。由于扬声器采用音频驱动器的输出供电，所以音频输入驱动器需要+3.3V LDO，其由USB连接器供电(+5V)，这似乎可以得到一个显而易见的结论，即可将它们放置在图1(a)原理图所示的位置。

但是，在这种框架下，驱动扬声器工作的电流在返回到电流源驱动器时会产生一个电压反弹，该电压反弹会反过来作用于LDO并最终影响到USB连接器。在本例中，把USB数据转换为音乐的基准电压会以音乐播放的速率反弹。由于扬声器电感所产生的相移会增大误差，这将和由于电流提升产生的高音量混合在一起。电压反弹也将导致纹波出现，这将降低扬声器发出的音质。

有两种方法可尽量减少纹波电流的影响。一是通过在非常接近USB到音频IC处增加一个电容(C1)，使其接在VLDO节点到GND引脚之间，这样一来该电容器被置于这些节点的中心位置。减少纹波应该针对所感兴趣的频率，在本例中的情况下，为可听范围<20kHz。可以通过电容电流等式(1)来选取电容值以便尽量降低LDO的纹波电流，直至干扰完全去除。



这将减少到达DC的纹波，之后电流只引起电压降，并且不会随时间而变化很多(上面等式中的Δt应该被视为可听频率12~14kHz的平均值)。通过在各IC之间使用较宽的电源和GND连接来限制由欧姆定律所得到的电压降值(电流与电阻的乘积)，可控制误差的大小。


图1：一个简单的电路表明电源电路会引起反弹，而且会返回电源。

GND和电源线的宽度应当根据可接受的损耗来确定。对于典型的1盎司铜印刷电路板，其电阻可以估算大约为每平方0.5mΩ。由于此问题不能总是通过添加电容去缓解，而应该采用Figure 1(b)中的方案来从根本上解决。LDO是放在音频驱动IC的上方，可以使立体声电流回路避免了敏感的音频驱动GND，这样产生的GND电压反弹不会影响音频驱动，只有小的纹波干扰出现。

复杂电路的电源和接地优化策略

在上面的应用案例中，只有两个电流回路。现在，我们换一个更复杂的例子。下面考虑的是一个较为复杂的平板电脑系统。在本例中，平板电脑包括背光、触屏、摄像头、充电系统(USB和无线)、蓝牙、WiFi、音频输出(扬声器，耳机)、以及用于存储数据的存储器。当然，这些应用的大部分都需要不同电压的电源轨以便更好地工作。

如图2所示，该系统具有五个电源轨和两种给电池充电的方法，这意味着至少会有五个电流回路。但相比直流电源，以及相关的各条电流路径，实际应用中有更多需要考虑的方面。电路中有多个开关稳压器，广播和接收天线系统，所有这些都需要使用微处理器来协调和控制。展示的与电源和它们供电的模块相关联的电源路径和GND路径，有助于将电源和负载电流评估进行汇总，从而实现以下目的：

1.考虑元件的额定功率和公差
2.确定连接宽度
3.确定对电压降、噪声引入或产生的敏感度
4.限制电流环路面积以减少EMI辐射

在图2中，主电源轨已被颜色编码，流经相应GND符号处的电流已被匹配到提供电流的电源轨。例如，每一个与电池充电不相关的部件(红色)，有一个端电流返回到电池，但USB到音频IC由3.3V BUCK调节器供电，而它是由5V Boost调节器供电的，之后接到电池。因此，GND电流从音频IC按先后顺序返回到各调节器，然后到达电池，音频IC电流不会直接返回到电池。


图2：典型的移动平板电脑示意图模块。

图2所示的系统采用了一个锂离子电池，通过USB充电器或无线功率发射器和接收器可以进行充电。电池电压可被升压到+ 5V(用于相机变焦马达、针对微处理器的+3.3V降压调节器、音频和触摸屏)，可降压到+ 1.2V(用于微处理器、存储器、蓝牙和WiFi)，也可升压到+ 7V用于相机闪光灯。显然，电压调节器应放在各自的负载附近，但最终由于产品形状尺寸的限制，通常迫使设计者把负载放在距离电源较远的位置，或在电路板周围混杂放置。可以看出，每个电源需要支持多个负载，因此必须采用精心策划的布线和布局方案来控制电流路径和无意产生的EMI。这里是一些重要的布局考虑因素：i）可用的空间，ⅱ）机械方面的约束，ⅲ）电源和GND轨可接受的电压降(负载电流和迹线/平面正方形数目的乘积)，ⅳ）电源和GND电流路径，以及v）成本(PCB层数，组件)，ⅵ）数字或模拟信号的频率，以及从电源直接返回路径的可行性。

作为最后一个案例，这里介绍一个假设的具有机械约束的最终系统。在这样的系统中，用户界面和整体尺寸会给设计带来一些限制。图3示出了每一个模块的实际位置：


图3：典型的移动平板电脑应用模块和布局。

图3中的每个电源都被颜色编码以便区分，图中最重要的部分是彩色标识的GND返回电流。因为多个电源是串联的，导致每个最终负载和GND电流被迫以它们被加电时相同的顺序去完成返回路径。例如，电池为BUCK1.2V调节器加电，该调节器为微处理器供电。因此，流经微处理器的电流在返回到电池之前，将直接返回到BUCK1.2V调节器器GND端。如果未能预见到全部的电流回路和电流路径完成的次序，就可能导致电路运行不稳定，或者没有足够的GND电流返回，原因是这些问题没有在电路布局中适当地考虑到并加以控制。

例如，可以很容易地想到系统工程师会把蓝牙和WiFi天线放置在相机和闪光灯的位置。由照相机与无线/蓝牙模块的位置颠倒产生的问题是，即使+ 1.2V电源仍然可正常地把电力分开来提供给那些需要的模块，高频蓝牙和WiFi的GND返回电流会直接流过微处理器/存储器模块的下方，由此可把与天线相关的纹波电流和电压反弹直接引入到高频微处理器GND和存储器存取。这将导致电池温度的模-数转换错误，可能会破坏扬声器的立体声音质，影响相机的分辨率，并导致存储器错误，以至于数据丢失。通过比较，如图中所画部分所示，从BUCK1.2V调节器到每个独立的负载和返回电源路径(在这种情况下为BUCK1.2V)，WiFi /蓝牙电源和GND电流将保持独立并且采取并联方式，避免了所有上述问题。

值得注意的是，上述所列出的各例中都假设采用一个单一的GND，并且被画在一个铜平面上，该平面在一个PCB层中为连续和不间断的。此接地平面由电路中所有的模块共享，而不是隔分GND平面，或把它分离为多个子部分，之后使用组件来连接GND平面及控制电流路径。特意的模块布局已经开始得到实施，因为这种方法使用自然的电流流动可以使电路屏蔽免受不需要的GND反弹影响。任何承载电流或电压(正电位)的线路必须要有一个返回路径，而返回路径应尽可能地接近正电位形式的信号，并且会被分配到源信号/电源轨下方的GND平面上。

在理解了电流的流动和最小化电流环路的概念后可以得到一个明显的结论，单点接地方法是PCB设计的理想和首选方法，因为它显著减少了元件数量，电路板层数和潜在的辐射：每段线路和模块应该在PCB板上具有尽可能短的返回路径。按照此指导原则，系统设计人员只需要从正确的走线宽度、组件和模块的智能布局等角度来控制PCB设计。他没有必要去检查每一段线路，或搭建多个实验板以获得正确的电源、信号和GND方案。单一、不间断的GND平面层带来的另外一个优点是该平面的连续性允许产生的热量均匀地散布在整个PCB表面，从而实现较低的工作温度。