基本硬件知識(shí)之如何設(shè)計(jì)一個(gè)合適的系統(tǒng)電源

        Q1：如何來評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求

        Answer：對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細(xì)考慮總的功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對(duì)比LDO和開關(guān)電源，開關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。

        至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對(duì)于一些高性能的CPU應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng)CPU突然開始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的啟動(dòng)電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過多過低，造成CPU運(yùn)行出錯(cuò)。

        一般來說，要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的＋－5%，所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。

        散熱問題對(duì)于那些大電流電源和LDO來說比較重要，通過計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。

        Q2：如何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路

        Answer：根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)，可以來選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了。一般對(duì)于弱電部分，包括了LDO（線性電源轉(zhuǎn)換器），開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下，LDO設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn)，輸出紋波小，但缺點(diǎn)是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開關(guān)電源不大等等。而開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活，效率高，但紋波大，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，調(diào)試比較煩瑣等等。

        Q3：如何為開關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)

        Answer：很多的未使用過開關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問題，PCB layout問題，元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實(shí)只要了解了，使用一個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的。

        一個(gè)開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會(huì)將MOSFET集成到芯片中去，這樣使用就更簡(jiǎn)單了，也簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。

        開關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會(huì)有一個(gè)反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路，還有來控制反饋深度，因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過慢的話，對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。

         而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容，輸出電感以及MOSFET等等，這些的選擇基本上就是要滿足一個(gè)性能和成本的平衡，比如高的開關(guān)頻率就可以使用小的電感值（意味著小的封裝和便宜的成本），但是高的開關(guān)頻率會(huì)增加干擾和對(duì)MOSFET的開關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。

        對(duì)于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的，小的ESR可以減小輸出紋波，但是電容成本會(huì)增加，好的電容會(huì)貴嘛。開關(guān)電源控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意，過多的MOSFET是不能被良好驅(qū)動(dòng)的。

        一般來說，開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。

        Q4：如何調(diào)試開關(guān)電源電路

        Answer：有一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家

        1: 電源電路的輸出輸出通過低阻值大功率電阻接到板內(nèi)，這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調(diào)試，避開后面電路的影響。

        2: 一般來說開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍，開關(guān)電源就會(huì)工作不正常，所以這種情況就需要認(rèn)真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大ESR值的輸出電容，會(huì)產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會(huì)影響開關(guān)電源的工作的。

        接地技術(shù)的討論

        Q1：為什么要接地?

        Answer：接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，接地也是保護(hù)人身安全的一種有效手段，當(dāng)某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設(shè)備外殼碰觸時(shí)，設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng)PE線到大地，從而起到保護(hù)作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)‘地’作為信號(hào)的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號(hào)頻率越來越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了 “地”的概念。

        Q2：接地的定義

        Answer: 在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來說，該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’；對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；對(duì)電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

        Q3：常見的接地符號(hào)

        Answer: PE,PGND,FG－保護(hù)地或機(jī)殼；BGND或DC-RETURN－直流－48V(+24V)電源（電池）回流；GND－工作地；DGND－數(shù)字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護(hù)地

        Q4：合適的接地方式

        Answer:  接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來說，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f<1MHz）電子線路。當(dāng)設(shè)計(jì)高頻（f>10MHz）電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板（完整的地平面層）。

        Q5：信號(hào)回流和跨分割的介紹

        Answer：對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個(gè)信號(hào)回流就變得非常的關(guān)鍵。

        第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長(zhǎng)，形成的環(huán)越大，它對(duì)外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號(hào)回路面積。

         第二，對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來說，提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量，這是因?yàn)镻CB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計(jì)算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。所以，布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

        第三，為什么說布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會(huì)很長(zhǎng)了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對(duì)于低速的信號(hào)是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過調(diào)整電源部分的走線。（這是針對(duì)多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說的）

        Q6：為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開?

        Answer：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。

        一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起?？偟乃枷胧潜M量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

        Q7：?jiǎn)伟迳系男盘?hào)如何接地?

        Answer：對(duì)于一般器件來說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。

        Q8：?jiǎn)伟宓慕涌谄骷绾谓拥?

        Answer：有些單板會(huì)有對(duì)外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45連接器等等，如果對(duì)它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會(huì)影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會(huì)成為對(duì)外的電磁干擾源，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地，與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來阻隔信號(hào)地上噪音過到接口地上來。同樣的，對(duì)接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

        Q9：帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

        Answer：屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上，這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號(hào)地上，噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。