如何設計一個合適的電源？

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

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)響應能力，關鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應的允許的電源紋波，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)的功率預算就非常有利了，對比LDO和開關電源，開關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，還要關注輕負載的時候效率水平。

至于負載瞬態(tài)響應能力，對于一些高性能的CPU應用就會有嚴格的要求，因為當CPU突然開始運行繁重的任務時，需要的啟動電流是很大的，如果電源電路響應速度不夠，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，當然要預留余量的。

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），開關電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下，LDO設計最易實現(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電源不大等等。而開關電源電路設計靈活，效率高，但紋波大，實現(xiàn)比較復雜，調(diào)試比較煩瑣等等。

Q3：如何為開關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電源設計的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔心開關電源的干擾問題，PCBlayout問題，元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實只要了解了，使用一個開關電源設計還是非常方便的。

一個開關電源一般包含有開關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設計，但是設計的靈活性就減少了一些。

開關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)響應過慢的話，對瞬態(tài)響應能力是會有很多影響的。

而輸出部分設計包含了輸出電容，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），但是高的開關頻率會增加干擾和對MOSFET的開關損耗，從而效率降低。使用低的開關頻率帶來的結(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，開關電源控制器的供應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，這也會影響開關電源的工作的。

接地技術的討論

Q1：為什么要接地?

Answer：接地技術的引入最初是為了防止電力或電子等設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，當某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設備外殼碰觸時，設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，大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設備的復雜化，信號頻率越來越高，因此，在接地設計中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關注，否則，接地不當就會嚴重影響系統(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，該術語的含義通常是‘線路電壓的參考點’；對于系統(tǒng)設計師來說，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,FG－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，單點接地用于簡單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f1MHz）電子線路。當設計高頻（f>10MHz）電路時就要采用多點接地了或者多層板（完整的地平面層）。

Q5：信號回流和跨分割的介紹

Answer：對于一個電子信號來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個信號回流就變得非常的關鍵。

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

第二，對于一個高速信號來說，提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計算的，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，這樣阻抗就會發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的時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，為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會很長了，