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电源设计必看:电源设计中你不得不注意的哪些细节

时间:12-09 来源:互联网 点击:

电源芯片的选择

  说到电源,先要说的就是DC-DC和LDO两种电源芯片的选择。两种电源的优缺点都非常明显。DC-DC最大的优点就是效率高,可以输出大电流,电源效率普遍能够做到百分之九十左右,有些甚至可以达到九十五以上。缺点也比较明显,需要用到的外围器件多,所占PCB面积大,成本高,由于开关的存在滤波控制不好的话会给系统引入噪声等等。LDO则正好相反,外围器件简单,占用面积小,成本低,没有开关,输出电源的线性度更好,但是效率取决于输入和输出电压的压差,压差大效率就低。通过比较我们可以大致做出电源的选择。如果电源压差较小,或者电流较小,使用LDO是个不错的选择。如果压差较大,或者电流较大,那么一般会推荐使用DC-DC。

  LDO电源设计简单,成本低,外围电路一般只需要几颗旁路电容就够了。虽然设计简单,但还是有些具体的地方需要注意。

  第一个要考虑的就是散热

  由于LDO的特性决定,压差部分的功耗是要通过芯片本身的散热释放出去的。如果压差和电流较大,那么器件上消耗的功耗就会比较大,散热我们就不能不考虑。举例说明,如果我们用3.3V通过LDO降压到1.2V,电流是800mA,那么芯片上消耗的功率就是(3.3-1.2)*0.8=1.68W,这么大的功率消耗,如果在PCB设计的时候没有留下足够的散热空间,那么随着系统的运行,LDO芯片就会越来越烫。虽然很多LDO的截止温度能达到125度,但是长时间在高温下运行,会严重影响系统寿命。调试阶段也难免会烫伤到自己。为了系统和自身的安全,保证LDO的良好散热是我们在做PCB的时候要考虑到的问题,又是我们容易忽略的地方。

  第二个要考虑的是LDO器件的压差

  以我们常用的1117为例,能做到的最小压差是1V。那么如果我们要用3.3V降压到2.5V选择1117是不合适的。得到的结果只能是2.3V左右,还要和你的电流有关。当然现在新出的LDO在压差方面有了很大的改进,最小压降有些已经做到了100mV,能满足大多数应用的需求。

第三个要考虑的是旁路电容的选择

  LDO芯片的外围电路就是几颗旁路电容。这几颗电容的选择也要参考器件的Datasheet,一般都会有容量和型号的推荐。还是以1117为例,各家公司推出的1117虽然功能差不多,但是在输出旁路电容的选择上也会有所区别,有些要求输出旁路电容采用10UF以上的钽电容,如果采用电解电容则容量要求更高,有些要求电容的ESR大小在一定范围,已获得更好的高频响应。这些细节是我们在选择器件的时候需要认真在datasheet里面找答案的。

  DC-DC的应用比LDO要稍微复杂一些,需要注意的地方也更多。我们先来看看走线对电路尤其是对电源电路的影响。PCB上的走线都会存在一定的走线电感,根据走线的宽度,厚度,和几何形状的不同,走线电感也会不同。一个简单的经验值是1oz的铜厚,30mil的走线宽度,1inch的走线长度的走线电感大约为20nH。这个电感值似乎并不大,但我们来看看在电源芯片上产生的影响。DC-DC通常都会应用在大电流的应用场景。我们来假设一个2A的应用环境。DC-DC要能够保证系统从0A到2A之间电流需求的供应。那么1inch长度的走线会使电压产生多大的偏移,我们可以带入下面的计算公式:

  V=L*di/dt

  其中L是走线电感,di是电流变化量,dt是开关转换速度。DC-DC的开关转换速度一般可以取值30ns来计算。带入公式我们可以得出V=20nH*2A/30ns=1.33V!

  通过计算我们可以看出来,即使是1inch的走线,由于电源部分的走线的电流很大,一样会引起电压很大的偏移。这样的偏移严重的会导致电源彻底失效。在上面的这几个变量里,电流变化量是系统决定的我们不能改变,开关转换速度是由电源芯片决定的,虽然有些芯片可以在一定范围内调整,但是如果转换速度过慢,开关损耗又是我们不能不考虑的问题,这个值也不会带来很大改善,那么我们能做的自然就是尽量的减小走线距离了。

  通过上面的计算我们还应该看到的就是,电源部分那些电流较大的走线我们需要更加注意,另外一些走线比如使能信号等小信号的走线就可以作为次要考虑。除了走线的影响以外,过孔一样存在一定的寄生电感,那么在大电流的路径上尽量减少过孔的使用,当然也不能教条。如果由于不用过孔导致的绕线距离过长,那就得不偿失了。基本原则就是看哪种方式的影响更小。一个有用的经验值就是50mil板厚内径为10mil的过孔寄生电感大约为1nH。

  另外一个建议就是如果一定要使用过孔,多个过孔并联优于单个过孔。这个很容易理解,多个过孔并联,相当于降低了寄生电感感值。

  DC-DC开关频率选择

DC-DC电源的开关频率越高,所需要的电感体积和感值就越校但并不是说DC-D

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