電路接地與供電模塊原理解析

　　隨著電子產(chǎn)品尺寸變得越來越緊湊、功能越來越強(qiáng)大、用途更加廣泛，最終的系統(tǒng)級要求，以及移動和固定設(shè)備的復(fù)雜性也變得日益突出。這種復(fù)雜性來源于要求在模擬和數(shù)字電路之間實(shí)現(xiàn)無線和有線的互連，需要系統(tǒng)工程師使用多個電源軌和混合電路設(shè)計(jì)。具有模擬和數(shù)字信號的電路一般傾向于設(shè)置幾個接地參考，這樣經(jīng)常導(dǎo)致電路雜亂無章，設(shè)計(jì)目的無法實(shí)現(xiàn)，表面上看上去很可靠的方案卻最終成為故障之源。這里將重點(diǎn)放在理解電路的需求和預(yù)先規(guī)劃最終的系統(tǒng)，因?yàn)檫@兩個步驟的結(jié)果是有效地把圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的印刷電路板。在設(shè)計(jì)階段花一些時間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來考慮一個復(fù)雜系統(tǒng)的每個功能模塊，然后根據(jù)電流總是在一個循環(huán)回路中流動的簡單公理來設(shè)置這些模塊及供電電路，這樣當(dāng)今系統(tǒng)工程師所面對的復(fù)雜電路就可以分解為許多可管理的部分，以便實(shí)現(xiàn)最終的可靠設(shè)計(jì)。

　　簡單電路的電源和接地分析

　　為了證明該理論，讓我們來看一個簡單的電路并考慮所示的連接。該基本電路包括三個要素，一個低壓差（LDO）線性調(diào)節(jié)器，一個微處理USB 數(shù)據(jù)線接到音頻驅(qū)動器，和一個揚(yáng)聲器，所有這些都由一個連接到某個計(jì)算主機(jī)的USB插頭供電。在本例中，USB到音頻驅(qū)動器必須用3.3V供電。由于揚(yáng)聲器采用音頻驅(qū)動器的輸出供電，所以音頻輸入驅(qū)動器需要+3.3V LDO，其由USB連接器供電（+5V），這似乎可以得到一個顯而易見的結(jié)論，即可將它們放置在圖1（a）原理圖所示的位置。但是，在這種框架下，驅(qū)動揚(yáng)聲器工作的電流在返回到電流源驅(qū)動器時會產(chǎn)生一個電壓反彈，該電壓反彈會反過來作用于LDO并最終影響到USB 連接器。在本例中，把USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音樂的基準(zhǔn)電壓會以音樂播放的速率反彈。由于揚(yáng)聲器電感所產(chǎn)生的相移會增大誤差，這將和由于電流提升產(chǎn)生的高音量混合在一起。電壓反彈也將導(dǎo)致紋波出現(xiàn)，這將降低揚(yáng)聲器發(fā)出的音質(zhì)。

　　這將減少到達(dá)DC的紋波，之后電流只引起電壓降，并且不會隨時間而變化很多（上面等式中的Δt應(yīng)該被視為可聽頻率12~14kHz的平均值）。通過在各IC之間使用較寬的電源和GND連接來限制由歐姆定律所得到的電壓降值（電流與電阻的乘積），可控制誤差的大小。

　　圖1：一個簡單的電路表明電源電路會引起反彈，而且會返回電源。

　　GND和電源線的寬度應(yīng)當(dāng)根據(jù)可接受的損耗來確定。對于典型的1盎司銅印刷電路板，其電阻可以估算大約為每平方0.5mΩ。由于此問題不能總是通過添加電容去緩解，而應(yīng)該采用Figure 1（b）中的方案來從根本上解決。LDO是放在音頻驅(qū)動IC的上方，可以使立體聲電流回路避免了敏感的音頻驅(qū)動GND，這樣產(chǎn)生的GND電壓反彈不會影響音頻驅(qū)動，只有小的紋波干擾出現(xiàn)。

　　復(fù)雜電路的電源和接地優(yōu)化策略

　　在上面的應(yīng)用案例中，只有兩個電流回路。現(xiàn)在，我們換一個更復(fù)雜的例子。下面考慮的是一個較為復(fù)雜的平板電腦系統(tǒng)。在本例中，平板電腦包括背光、觸屏、攝像頭、充電系統(tǒng)（USB和無線）、藍(lán)牙、WiFi、音頻輸出（揚(yáng)聲器，耳機(jī)）、以及用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器。當(dāng)然，這些應(yīng)用的大部分都需要不同電壓的電源軌以便更好地工作。如圖2所示，該系統(tǒng)具有五個電源軌和兩種給電池充電的方法，這意味著至少會有五個電流回路。但相比直流電源，以及相關(guān)的各條電流路徑，實(shí)際應(yīng)用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個開關(guān)穩(wěn)壓器，廣播和接收天線系統(tǒng)，所有這些都需要使用微處理器來協(xié)調(diào)和控制。展示的與電源和它們供電的模塊相關(guān)聯(lián)的電源路徑和GND路徑，有助于將電源和負(fù)載電流評估進(jìn)行匯總，從而實(shí)現(xiàn)以下目的：

　　在圖2中，主電源軌已被顏色編碼，流經(jīng)相應(yīng)GND符號處的電流已被匹配到提供電流的電源軌。例如，每一個與電池充電不相關(guān)的部件（紅色），有一個端電流返回到電池，但USB到音頻IC由3.3V BUCK調(diào)節(jié)器供電，而它是由5V Boost調(diào)節(jié)器供電的，之后接到電池。因此，GND電流從音頻IC按先后順序返回到各調(diào)節(jié)器，然后到達(dá)電池，音頻IC電流不會直接返回到電池。

　　圖2：典型的移動平板電腦示意圖模塊。

　　圖2所示的系統(tǒng)采用了一個鋰離子電池，通過USB充電器或無線功率發(fā)射器和接收器可以進(jìn)行充電。電池電壓可被升壓到+ 5V（用于相機(jī)變焦馬達(dá)、針對微處理器的+3.3V降壓調(diào)節(jié)器、音頻和觸摸屏），可降壓到+ 1.2V（用于微處理器、存儲器、藍(lán)牙和WiFi），也可升壓到+ 7V用于相機(jī)閃光燈。顯然，電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)放在各自的負(fù)載附近，但最終由于產(chǎn)品形狀尺寸的限制，通常迫使設(shè)計(jì)者把負(fù)載放在距離電源較遠(yuǎn)的位置，或在電路板周圍混雜放置?？梢钥闯?，每個電源需要支持多個負(fù)載，因此必須采用精心策劃的布線和布局方案來控制電流路徑和無意產(chǎn)生的EMI。這里是一些重要的布局考慮因素：i）可用的空間，ⅱ）機(jī)械方面的約束，ⅲ）電源和GND軌可接受的電壓降（負(fù)載電流和跡線/平面正方形數(shù)目的乘積），ⅳ）電源和GND電流路徑，以及 v）成本（PCB層數(shù)，組件），ⅵ）數(shù)字或模擬信號的頻率，以及從電源直接返回路徑的可行性。

　　作為最后一個案例，這里介紹一個假設(shè)的具有機(jī)械約束的最終系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，用戶界面和整體尺寸會給設(shè)計(jì)帶來一些限制。圖3示出了每一個模塊的實(shí)際位置：

　　圖3：典型的移動平板電腦應(yīng)用模塊和布局。

　　圖3中的每個電源都被顏色編碼以便區(qū)分，圖中最重要的部分是彩色標(biāo)識的GND返回電流。因?yàn)槎鄠€電源是串聯(lián)的，導(dǎo)致每個最終負(fù)載和GND電流被迫以它們被加電時相同的順序去完成返回路徑。例如，電池為BUCK1.2V調(diào)節(jié)器加電，該調(diào)節(jié)器為微處理器供電。因此，流經(jīng)微處理器的電流在返回到電池之前，將直接返回到BUCK1.2V調(diào)節(jié)器器GND端。如果未能預(yù)見到全部的電流回路和電流路徑完成的次序，就可能導(dǎo)致電路運(yùn)行不穩(wěn)定，或者沒有足夠的 GND電流返回，原因是這些問題沒有在電路布局中適當(dāng)?shù)乜紤]到并加以控制。

　　值得注意的是，上述所列出的各例中都假設(shè)采用一個單一的GND，并且被畫在一個銅平面上，該平面在一個PCB層中為連續(xù)和不間斷的。此接地平面由電路中所有的模塊共享，而不是隔分GND平面，或把它分離為多個子部分，之后使用組件來連接GND平面及控制電流路徑。特意的模塊布局已經(jīng)開始得到實(shí)施，因?yàn)檫@種方法使用自然的電流流動可以使電路屏蔽免受不需要的GND反彈影響。任何承載電流或電壓（正電位）的線路必須要有一個返回路徑，而返回路徑應(yīng)盡可能地接近正電位形式的信號，并且會被分配到源信號/電源軌下方的GND平面上。

　　在理解了電流的流動和最小化電流環(huán)路的概念后可以得到一個明顯的結(jié)論，單點(diǎn)接地方法是PCB設(shè)計(jì)的理想和首選方法，因?yàn)樗@著減少了元件數(shù)量，電路板層數(shù)和潛在的輻射：每段線路和模塊應(yīng)該在PCB板上具有盡可能短的返回路徑。按照此指導(dǎo)原則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需要從正確的走線寬度、組件和模塊的智能布局等角度來控制PCB設(shè)計(jì)。他沒有必要去檢查每一段線路，或搭建多個實(shí)驗(yàn)板以獲得正確的電源、信號和GND方案。單一、不間斷的GND平面層帶來的另外一個優(yōu)點(diǎn)是該平面的連續(xù)性允許產(chǎn)生的熱量均勻地散布在整個PCB表面，從而實(shí)現(xiàn)較低的工作溫度。

　　用于驅(qū)動任何電路的任何信號（或電源），必須有適當(dāng)?shù)穆窂椒祷氐皆搭^。電路設(shè)計(jì)人員必須考慮源和接地方案以正確地實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)方案。在實(shí)施階段考慮負(fù)載和負(fù)載類型是至關(guān)重要的，這樣可以使那些引起電壓反彈的電流路徑得到控制。在GND噪聲不影響PCB性能的區(qū)域，布局和定位那些電流通路是實(shí)現(xiàn)有效和高效電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。