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經(jīng)典資料:開關(guān)電源電路中元器件和參數(shù)的選擇

發(fā)布時間:2014-01-24 責(zé)任編輯:mikeliu

【導(dǎo)讀】很多未使用過開關(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(shí)只要了解了,使用開關(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?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過慢的話,對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很大影響。



輸出部分設(shè)計包含了輸出電容,輸出電感以及MOSFET等等,這些器件的選擇基本上就是要滿足性能和成本的平衡,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。低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。

開關(guān)電源|電源設(shè)計

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。
如何調(diào)試開關(guān)電源電路?

有一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家:

(1)電源電路的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(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,會產(chǎn)生很多的電源紋波,這也會影響開關(guān)電源的工作的。

為什么要接地?


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,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,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(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)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準(zhǔn)‘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(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近,高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了 “地”的概念。

接地的定義

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(diǎn)”;對于系統(tǒng)設(shè)計師來說,它常常是機(jī)柜或機(jī)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”。
常見的接地符號

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。

合適的接地方式

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)接地用于簡單電路,不同功能模塊之間接地區(qū)分,以及低頻(f10MHz)電路時就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板(完整的地平面層)。
信號回流和跨分割的介紹
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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(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,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?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?yàn)樾盘柨缭搅瞬煌娫磳雍?,它的回流途徑就會很長了,容易受到干擾。當(dāng)然,不是嚴(yán)格要求不能跨越電 源分割,對于低速的信號是可以的,因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認(rèn)真檢查,盡量不要跨越,可以通過調(diào)整電源部分的走線。

為什么要將模擬地和數(shù)字地分開,如何分開?

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

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。總的思想是盡量阻隔數(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。

單板上的信號如何接地?

對于一般器件來說,就近接地是最好的,采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計后,對于一般信號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。

單板的接口器件如何接地?

有些單板會有對外的輸入輸出接口,比如串口連接器,網(wǎng)口RJ45連接器等等,如果對它們的接地設(shè)計得不好也會影響到正常工作,例如網(wǎng)口互連有誤碼,丟包 等,并且會成為對外的電磁干擾源,把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地,與信號地的連接采用細(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地上噪音過到接口地上來。同樣的,對接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

帶屏蔽層的電纜線,屏蔽層如何接地?

屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上,這是因?yàn)樾盘柕厣嫌懈鞣N的噪聲,如果屏蔽層接到了信號地上,噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾,所以設(shè)計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。

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