電源布線需要注意的事項(xiàng) DC/DC的紋波比較大的原因

電源如同人類的循環(huán)系統(tǒng)，是能源輸入輸出的地方，若是電源設(shè)計(jì)不合理，或者能量輸出不足，帶給整個(gè)電子系統(tǒng)都是致命的。

對于線性電源來說，有些概念必須要注意，最大功耗 PD = | Vin - Vout | x Iout；熱阻是指熱量從器件的晶片上向外傳導(dǎo)時(shí)受到的阻力，其單位是℃/W。那么熱阻和最大功耗PD之間的關(guān)系就為 = （ TJ - TA ）/ PD，其中TJ 是結(jié)溫，TA是工作溫度。

根據(jù)上面的公式，我們來計(jì)算一下常用的芯片AMS1117標(biāo)稱最大能夠達(dá)到1A的電流輸出，看一下實(shí)際能夠達(dá)到多大。（假設(shè)是5V穩(wěn)到3.3V）

首先對應(yīng)手冊，找出熱阻和結(jié)溫度，如下圖1所示。其中 = 90 ℃/W，結(jié)溫度TJ = 150℃，工作溫度TA = 25℃，根據(jù)上述公式得到PD = 1.39W，那么 Iout = 1.39 / （5 — 3.3） = 816.99mA，也就是說標(biāo)稱最大達(dá)到1A的AMS1117正常工作時(shí)能夠達(dá)到800mA左右，筆者常常在對電源芯片最大輸出電流打八折算，也就是最大輸出電流1A，實(shí)際上也就是到800mA左右。

圖1 AMS1117的熱阻

（1）電源余量要留足

電源一定要留足余量，一般要比負(fù)載的峰值耗電至少多20%，這樣比較安全，不會發(fā)生意想不到的故障。

電源余量不足時(shí)，電源會工作在極限狀態(tài)，電源的紋波會劇烈上升，達(dá)到幾百mV甚至幾V。所以在確定電源輸入之前，最好先估計(jì)整個(gè)板子系統(tǒng)上面的最大功耗。

1）對一個(gè)電子系統(tǒng)，認(rèn)真分析電源需求，包括輸入電壓，輸出電壓和電流，總功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對負(fù)載變換的瞬態(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)允許的電源紋波，還有散熱問題等等。

在評估時(shí)不僅僅要關(guān)注滿負(fù)載，也要關(guān)注輕負(fù)載的效率水平。CPU在啟動時(shí)往往需要較大的電流，若是電源的響應(yīng)速度不夠，會造成瞬間電壓下降過多，造成CPU出錯(cuò)。、

2）確定合理的電源電路實(shí)現(xiàn)方案。對于弱電部分，基本上實(shí)現(xiàn)的方案包括LDO和DC-DC實(shí)現(xiàn)方案，LDO的優(yōu)點(diǎn)是輸出的紋波較小，缺點(diǎn)效率不高，發(fā)熱量大，提供的電流不比DCDC大。DC-DC與LDO相比，紋波較大，這也是 DC-DC最大的缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)正好應(yīng)對LDO的缺點(diǎn)。

電源布線方面也有一些講究：

1）功率器件及干擾源器件要注意擺放的位置和方向，避免對板上的其他器件造成干擾；

2）功率器件的線路的寬度應(yīng)該寬一些，實(shí)現(xiàn)大電流的留出；

3）退耦電容容量要足，在板上的位置要合理；

4）電源線的線路不易過長，走線期間最好不要實(shí)現(xiàn)分叉，盡量從源端流出；

（2）紋波問題要注意

理想的直流電源輸出的電源應(yīng)該是純正的直流，沒有絲毫的雜波。但是實(shí)際中，電源內(nèi)部總會有內(nèi)阻，在給負(fù)載供電時(shí)電流會隨著負(fù)載的變化而變化，在電源就會以紋波噪聲的形式體現(xiàn)出來。而且有些電源本身就會有輸出的波動，這同樣也是紋波。

那么什么是紋波？紋波就是在直流中參雜的小幅度交流信號。純正的直流電壓等于一個(gè)常數(shù)C，有紋波的電壓其輸出公式就為：V = C + sinA /a + sinB/b + sinC/c + sinD/d +.。..。..。；C后面的實(shí)際上就是一個(gè)紋波信號的傅里葉展開式。

電源紋波所帶的影響：

1）視頻系統(tǒng)中，圖像有條紋；

2）音頻系統(tǒng)中，揚(yáng)聲器參雜有其他雜聲；

3）A/D轉(zhuǎn)換精度不夠；

4）電路板上某個(gè)模塊失靈；

導(dǎo)致電源紋波的一些原因：

1）電源容量不足，導(dǎo)致紋波增大；

2）系統(tǒng)內(nèi)的高速時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號本身就會產(chǎn)生噪聲，反向影響到電源部分；

3）PCB的印制線和連接線不恰當(dāng)，影響大電源紋波；

4）數(shù)字IC，如FPGA在高速運(yùn)行時(shí)具有很快的跳變沿，瞬時(shí)電流也大幅度變化，產(chǎn)生電磁干擾串?dāng)_影響到其他部件。

（3）鎮(zhèn)壓紋波勢在必行

上面已經(jīng)講述了紋波所帶來的危害是極大的，所以必須要減少紋波的產(chǎn)生或者降低紋波的數(shù)量級。有三種方法使得信號路徑的噪聲和紋波最?。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。

1）LDO能有效的降低紋波的量級，在使用時(shí)LDO電路的輸入和輸出需要對地并聯(lián)電解電容器，通常在100uF以上。較低內(nèi)阻（ESR）的大電容器一般可以全面提高電源抑制比（PSRR）、噪聲以及瞬態(tài)性能。通常還要在大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)0.1uF的陶瓷電容，以保證電源的高頻響應(yīng)能力。電容的位置盡量靠近電源的輸入部分。

2）值得一提的是，在信號回路上有寄生的低頻振蕩，一般是電源的低頻內(nèi)阻太大，增加對地的電解電容器的容量，通常可以解決；在信號回路上有寄生的高頻振蕩，一般是電源的低高頻內(nèi)阻太大，增加對地的電解電容器的容量，通?？梢越鉀Q；

3）若是LDO對信號回路進(jìn)行供電，LDO就不要再對CPU進(jìn)行供電，會影響純凈的LDO輸出。

陶瓷電容器是旁路高頻的首選，其故障模式是斷路，鉭電容的故障模式是短路，負(fù)責(zé)電路中的中頻紋波。陶瓷電容的ESR較低，大概在10mΩ級別，鉭電容的ESR大概在100mΩ級別，而且鉭電容可以很容易做到10uF以上的量級，通常鉭電容用在DC-DC中用的比較多。電解電容負(fù)責(zé)衰減低頻的紋波，因?yàn)轭l率低，所以電解電容的位置要求不是很高，只要有效果都差不多。

（4）DC/DC學(xué)問多

DC/DC的紋波比較大的原因是斬波頻率造成的，所以在選擇DC/DC芯片時(shí)候要盡可能選擇頻率較高的，有以下好處：

1） 頻率高，紋波頻率也高，更容易濾除；

2） 頻率高，可以選擇低電感值，這樣會有更強(qiáng)負(fù)載能力；

3） 頻率高，可以實(shí)現(xiàn)用小的電容實(shí)現(xiàn)理想的濾波效果；

4） 頻率高，自損耗電流也大；

若是想最大限度的降低DC/DC或者其他分立元件電源部分的紋波，可以在電源的輸入端加入RC濾波電路，能起到很好的濾波效果。

對于DC/DC還要多說一點(diǎn)就是，每款DC/DC芯片的轉(zhuǎn)換效率和壓差也有關(guān)系，壓差越小，轉(zhuǎn)換效率高，如下圖2的MP2359的轉(zhuǎn)換效率和壓差之間的關(guān)系。而且在某個(gè)輸出電流值時(shí)具有最大的轉(zhuǎn)換效率。所以先估算總體功耗，然后對應(yīng)系統(tǒng)最大的功耗選擇在某一個(gè)電流值輸出效率最大的一款DC/DC芯片。

圖2 效率與壓差之間的關(guān)系

DC/DC也會出現(xiàn)發(fā)熱問題，用DC/DC做電源的設(shè)備，通常體積小，散熱更加困難。線性電源發(fā)熱加散熱片一般能對付過去。那么在工程上面評價(jià)一個(gè)東西的散熱速度的指標(biāo)叫做“熱阻”，其定義為 反應(yīng)阻值熱量傳遞能力的綜合參量，可見此參數(shù)應(yīng)該是越小越好的。單位為℃/W，即物體持續(xù)傳熱功率為1W時(shí)，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。所以超過400mA的DC/DC 電路，建議使用低熱阻的IC。

DC/DC的芯片工作頻率越高，輸出電流越高，原因如下：

1）DC/DC芯片的開關(guān)頻率越高，其產(chǎn)生的電源紋波越小，同時(shí)也越容易控制住紋波；

2）DC/DC外部一般都要配備一個(gè)儲存能量的電感，一般DC/DC工作頻率越高，尺寸就可以選小些，且電感有一定的直流電阻，電流越大，發(fā)熱量也越高。

DC/DC芯片的工作頻率高的話，就越有可能使用小電感量的電感，而且其直流電阻越小，發(fā)熱量也越小。對于使用大電流DC/DC情況的方案，若要是最大限度的降低紋波，可以將DC/DC周圍的器件的GND以最短路徑連接在一起，實(shí)現(xiàn)以單點(diǎn)共地。因?yàn)檫@些導(dǎo)體存在一定的阻抗和感抗，單點(diǎn)共地可以消除上述的影響。如下圖3是筆者曾經(jīng)設(shè)計(jì)的DC/DC電路，將DC/DC周圍器件的GND連接在一起，通過0Ω電阻R16實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)共地。

圖3 DC/DC降低紋波電路

（5）容忍紋波范圍

其實(shí)沒有紋波的電源是不存在，上面也講了很多關(guān)于降低紋波的方法，紋波是一定要降低的，大多數(shù)器件都有一個(gè)容忍紋波的范圍，只要在器件所容忍的紋波范圍之內(nèi)，都是可以接受的。

所以對于5V供電，電源紋波應(yīng)該在50mV以下，3.3V供電，電源輸入部分的紋波應(yīng)該在20mV以下。