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如何解決系統(tǒng)電源的相關(guān)設(shè)計問題

作者: 時間:2013-09-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說,電源部分的設(shè)計也越來越重要,我想通過和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計的心得,來個拋磚引玉,讓我們在電源設(shè)計方面能夠都有所深入和長進。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/228304.htm

如何解決系統(tǒng)電源的相關(guān)設(shè)計問題

  Q1:如何來評估一個系統(tǒng)的電源需求

  Answer:對于一個實際的電子系統(tǒng),要認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,還要仔細考慮總的功耗,電源實現(xiàn)的效率,電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力,關(guān)鍵器件對電源波動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,在負載功耗相同的情況下總功耗就少,對于整個系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了,對比LDO和開關(guān)電源,開關(guān)電源的效率要高一些。同時,評估效率不僅僅是看在滿負載的時候電源電路的效率,還要關(guān)注輕負載的時候效率水平。

  至于負載瞬態(tài)響應(yīng)能力,對于一些高性能的CPU應(yīng)用就會有嚴格的要求,因為當(dāng)CPU突然開始運行繁重的任務(wù)時,需要的啟動電流是很大的,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運行出錯。

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

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

  Q2:如何選擇合適的電源實現(xiàn)電路

  Answer:根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標,可以來選擇合適的電源實現(xiàn)電路了。一般對于弱電部分,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)計最易實現(xiàn),輸出紋波小,但缺點是效率有可能不高,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)計靈活,效率高,但紋波大,實現(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)計的工程師會對它產(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。其實只要了解了,使用一個開關(guān)電源設(shè)計還是非常方便的。

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

  開關(guān)控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng),所以一般都會有一個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)計在于保證精確的采樣電路,還有來控制反饋深度,因為如果反饋環(huán)響應(yīng)過慢的話,對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很多影響的。

  而輸出部分設(shè)計包含了輸出電容,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)頻率會增加干擾和對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,但是電容成本會增加,好的電容會貴嘛。開關(guān)電源控制器驅(qū)動能力也要注意,過多的MOSFET是不能被良好驅(qū)動的。

  一般來說,開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會提供具體的計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)電源就會工作不正常,所以這種情況就需要認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,會產(chǎn)生很多的電源紋波,這也會影響開關(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,從而起到保護建筑物的作用。同時,接地也是保護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,設(shè)備的外殼就會有危險電壓產(chǎn)生,由此生成的故障電流就會流經(jīng)PE線到大地,從而起到保護作用。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遠不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中,大量設(shè)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化,信號頻率越來越高,因此,在接地設(shè)計中,信號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)就會嚴重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。最近,高速信號的信號回流技術(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’;對于系統(tǒng)設(shè)計師來說,它常常是機柜或機架;對電氣工程師來說,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

  Answer: PE,PGND,F(xiàn)G-保護地或機殼;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-防雷保護地

  Q4:合適的接地方式

  Answer: 接地有多種方式,有單點接地,多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。一般來說,


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