低功耗低噪聲電源設(shè)計(jì)感想

并不意外的是,電源影響模擬信號(hào)完整性,這最終會(huì)影響整體的系統(tǒng)性能。提高信號(hào)路徑性能的一種簡(jiǎn)單方法是選擇正確的電源。在選擇電源時(shí),影響模擬信號(hào)路徑性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是電源線上的噪聲或紋波。電源線上的噪聲或紋波可以耦合到運(yùn)算放大器的輸出中,增加鎖相環(huán)(PLL)或壓控振蕩器(VCO)的抖動(dòng),或者降低ADC的SNR。低噪聲和低紋波的電源還能改善信號(hào)路徑性能。

電源線上的噪聲或紋波的來(lái)源具有多樣性。在系統(tǒng)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)和高頻信號(hào)本身會(huì)產(chǎn)生噪聲,PCB的印制線和連接線如果設(shè)計(jì)不當(dāng),可以形成發(fā)射天線的效應(yīng)。數(shù)字IC,例如微控制器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)以及復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)具有很快的邊沿跳變速度,電流的大小變化很大,將產(chǎn)生電磁干擾輻射到系統(tǒng)中。IC硅片在內(nèi)部產(chǎn)生熱噪聲,這是由于在溫度高于絕對(duì)0攝氏度時(shí)分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和碰撞產(chǎn)生的。

有三種常用的方法來(lái)使信號(hào)路徑中的噪聲和紋波最?。悍浅Ｗ屑?xì)的系統(tǒng)PCB布局、恰當(dāng)?shù)碾娫磁月诽幚硪约罢_的電源選擇。盡管PCB的具體設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng),但就一般而言,PCB的布局需要考慮包括正確的器件布局、使信號(hào)路徑連接線的長(zhǎng)度最小以及采用實(shí)體的地等。

對(duì)電源軌進(jìn)行旁路處理是一種常用的方法,這種方法通常在模擬IC產(chǎn)品手冊(cè)中被推薦用于濾出噪聲。信號(hào)路徑IC可以具有分離的模擬、數(shù)字和PLL電源輸入,建議每個(gè)采用自己獨(dú)立的旁路處理。PLL電源和模擬電源對(duì)噪聲和紋波最敏感。旁路電容、阻容(RC)濾波器以及EMI抑制濾波器使進(jìn)入信號(hào)路徑的電源噪聲最小化。

正確的電源選擇可以降低對(duì)信號(hào)路徑IC的噪聲和紋波影響。在選擇一種電源時(shí),設(shè)計(jì)師首先在開(kāi)關(guān)變換器和線性穩(wěn)壓器之間作一個(gè)基本選擇。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器提供較高的頻率,更高的頻率意味著較低的整體系統(tǒng)功耗。線性穩(wěn)壓器提供一種易于使用的解決方案,同時(shí)降低電源軌的噪聲/紋波。使用線性穩(wěn)壓器降低噪聲和紋波可以改善信號(hào)路徑性能。

毫無(wú)疑問(wèn)，在便攜式無(wú)線產(chǎn)品里，即需要自身工作耗電電流小的，又需要PSRR大的LDO，但是目前市面上的LDO產(chǎn)品，能兼顧到這兩個(gè)指標(biāo)的產(chǎn)品很少，本人找到一個(gè)S1167的LDO，工作自身耗電為9UA,PSRR為70dB，應(yīng)該說(shuō)是比較兼顧這兩個(gè)指標(biāo)的，但是是日本貨。

單單是考慮到PSRR,而IQ在45左右都無(wú)所謂的話，用AS1361是不錯(cuò)的，PSRR可到90dB以上。

二、DC-DC電源選擇

對(duì)于DC-DC來(lái)說(shuō)，主要考慮轉(zhuǎn)換的效率，紋波,輸入輸出電壓等.

在選擇DC/DC變換器時(shí)，電路設(shè)計(jì)要注意輸出電流、高效率、小型化，輸出電壓要求：

1. 如需求的輸出電流較小，可選擇FET內(nèi)置型；輸出電流需要較大時(shí)，選擇外接FET類型。

2. 關(guān)于效率有以下考慮：如果需優(yōu)先考慮重負(fù)荷時(shí)的紋波電壓及消除噪音，可選擇PWM控制型；如果同時(shí)亦需重視低負(fù)荷時(shí)的效率，則可選擇PFM/PWM切換控制型。

3. 如要求小型化，則可選擇能使用小型線圈的高頻產(chǎn)品。

4. 在輸出電壓方面，如果輸出電壓需要達(dá)到固定電壓以上，或需要不固定的輸出電壓時(shí)，剛可選擇輸出可變的VDD/VOUT分離型產(chǎn)品。

DC-DC工作方式PFM與PWM比較 ：

PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切換控制模式這三種控制方式各有各的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)： DC/DC變換器是通過(guò)與內(nèi)部頻率同步開(kāi)關(guān)進(jìn)行升壓或降壓，通過(guò)變化開(kāi)關(guān)次數(shù)進(jìn)行控制，從而得到與設(shè)定電壓相同的輸出電壓。

PFM控制時(shí)，當(dāng)輸出電壓達(dá)到在設(shè)定電壓以上時(shí)即會(huì)停止開(kāi)關(guān)，在下降到設(shè)定電壓前，DC/DC變換器不會(huì)進(jìn)行任何操作。但如果輸出電壓下降到設(shè)定電壓以下，DC/DC變換器會(huì)再次開(kāi)始開(kāi)關(guān)，使輸出電壓達(dá)到設(shè)定電壓。PWM控制也是與頻率同步進(jìn)行開(kāi)關(guān)，但是它會(huì)在達(dá)到升壓設(shè)定值時(shí)，盡量減少流入線圈的電流，調(diào)整升壓使其與設(shè)定電壓保持一致。

與PWM相比，PFM的輸出電流小，但是因PFM控制的DC/DC變換器在達(dá)到設(shè)定電壓以上時(shí)就會(huì)停止動(dòng)作，所以消耗的電流就會(huì)變得很小。因此，消耗電流的減少可改進(jìn)低負(fù)荷時(shí)的效率。PWM在低負(fù)荷時(shí)雖然效率較遜色，但是因其紋波電壓小，且開(kāi)關(guān)頻率固定，所以噪聲濾波器設(shè)計(jì)比較容易，消除噪聲也較簡(jiǎn)單。

若需同時(shí)具備PFM與PWM的優(yōu)點(diǎn)的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。此功能是在重負(fù)荷時(shí)由PWM控制，低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)切換到PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時(shí)具備PWM的優(yōu)點(diǎn)與PFM的優(yōu)點(diǎn)。在備有待機(jī)模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。

高頻的優(yōu)點(diǎn) ：

通過(guò)實(shí)際測(cè)試PWM與PFM/PWM的效率，可以發(fā)現(xiàn)PWM/PFM切換的產(chǎn)品在低負(fù)荷時(shí)的效率較高。至于高頻方面，通過(guò)提高DC/DC變換器的頻率，可以實(shí)現(xiàn)大電流化、小型化和高效率化。但是，必須注意的是只有通過(guò)線圈的特性配合才可以提高效率。因?yàn)楫?dāng)DC/DC變換器高頻化后，由于開(kāi)關(guān)次數(shù)隨之增加的原因，開(kāi)關(guān)損失也會(huì)增大，從而導(dǎo)致效率會(huì)有所降低。因此，效率是由線圈性能提升與開(kāi)關(guān)損失增加兩方面折衷決定的。通過(guò)使用高效率的產(chǎn)品，相對(duì)可使用較低電感值的線圈，可以使用小型線圈，即使使用的是小型線圈也可得到相同的效率及輸出電流。

外接器件選擇：

除了需要關(guān)注DC/DC變換器本身的特性外, 外接組件的選擇也不能忽視。外接組件中的線圈、電容器和FET對(duì)于開(kāi)關(guān)電源特性有著很大影響。這里所謂的特性是指輸出電流、輸出紋波電壓及效率。

線圈：如果需要追求高效率，最好選擇直流電阻和電感值較小的線圈。但是，如果電感值較小的線圈用于頻率較低的DC/DC，就會(huì)超過(guò)線圈的額定電流，線圈會(huì)產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，引起效率惡化或損壞線圈。而且如果電感值太小，也會(huì)引起紋波電壓變大。所以在選擇線圈時(shí)，請(qǐng)注意流向線圈的電流不要超過(guò)線圈的額定電流。在選擇線圈時(shí)，需要根據(jù)輸出電流、DC/DC的頻率、線圈的電感值、線圈的額定電流和紋波電壓等條件綜合決定。

電容：輸出電容的容量越大，紋波電壓就越小。但是較大的容量也意味著較大的電容體積，所以請(qǐng)選擇最適合的容量。

三極管：作為外接的三極管，與雙極晶體管相比，因FET的開(kāi)關(guān)速度比較快，所以開(kāi)關(guān)損耗會(huì)較小，效率會(huì)更高一些。

DC-DC基本原理：

DC-DC電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。但是由于電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。 通過(guò)下圖，我們來(lái)簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)降壓型開(kāi)關(guān)電源的工作原理。如圖所示，電路由開(kāi)關(guān)K（實(shí)際電路中為三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管），續(xù)流二極管D，儲(chǔ)能電感L，濾波電容C等構(gòu)成。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電源通過(guò)開(kāi)關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲(chǔ)存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開(kāi)關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過(guò)負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管D的正極，經(jīng)過(guò)二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個(gè)回路。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)閉合跟斷開(kāi)的時(shí)間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過(guò)檢測(cè)輸出電壓來(lái)控制開(kāi)、關(guān)的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。