電源設計經驗之談

電源是一個系統的基礎，一個良好的電源設計是系統穩定運行的前提。在實際項目中，用到最多的電源結構應該就是外接適配器提供一個DC輸入，電壓可以是5V，9V，12V等等。然后在我們的PCB設計中通過各種不同的DC-DC或者LDO芯片來轉換出我們系統需要的各路電源。因此，我們接觸最多的應該就是DC-DC和LDO電源電路的設計。下面簡單提一些容易忽略的細節，稍作改善，就能讓我們的電源設計更合理，提升電源部分的性能，使系統更穩定。

說到電源，先要說的就是DC-DC和LDO兩種電源芯片的選擇。兩種電源的優缺點都非常明顯。DC-DC最大的優點就是效率高，可以輸出大電流，電源效率普遍能夠做到百分之九十左右，有些甚至可以達到九十五以上。缺點也比較明顯，需要用到的外圍器件多，所占PCB面積大，成本高，由于開關的存在濾波控制不好的話會給系統引入噪聲等等。LDO則正好相反，外圍器件簡單，占用面積小，成本低，沒有開關，輸出電源的線性度更好，但是效率取決于輸入和輸出電壓的壓差，壓差大效率就低。通過比較我們可以大致做出電源的選擇。如果電源壓差較小，或者電流較小，使用LDO是個不錯的選擇。如果壓差較大，或者電流較大，那么一般會推薦使用DC-DC。

LDO電源設計簡單，成本低，外圍電路一般只需要幾顆旁路電容就夠了。雖然設計簡單，但還是有些具體的地方需要注意。第一個要考慮的就是散熱。由于LDO的特性決定，壓差部分的功耗是要通過芯片本身的散熱釋放出去的。如果壓差和電流較大，那么器件上消耗的功耗就會比較大，散熱我們就不能不考慮。舉例說明，如果我們用3.3V通過LDO降壓到1.2V，電流是800mA，那么芯片上消耗的功率就是(3.3-1.2)*0.8=1.68W，這么大的功率消耗，如果在PCB設計的時候沒有留下足夠的散熱空間，那么隨著系統的運行，LDO芯片就會越來越燙。雖然很多LDO的截止溫度能達到125度，但是長時間在高溫下運行，會嚴重影響系統壽命。

調試階段也難免會燙傷到自己。為了系統和自身的安全，保證LDO的良好散熱是我們在做PCB的時候要考慮到的問題，又是我們容易忽略的地方。第二個要考慮的是LDO器件的壓差。以我們常用的1117為例，能做到的最小壓差是1V。那么如果我們要用3.3V降壓到2.5V選擇1117是不合適的。得到的結果只能是2.3V左右，還要和你的電流有關。

當然現在新出的LDO在壓差方面有了很大的改進，最小壓降有些已經做到了100mV，能滿足大多數應用的需求。第三個要考慮的是旁路電容的選擇。LDO芯片的外圍電路就是幾顆旁路電容。這幾顆電容的選擇也要參考器件的Datasheet，一般都會有容量和型號的推薦。還是以1117為例，各家公司推出的1117雖然功能差不多，但是在輸出旁路電容的選擇上也會有所區別，有些要求輸出旁路電容采用10UF以上的鉭電容，如果采用電解電容則容量要求更高，有些要求電容的ESR大小在一定范圍，已獲得更好的高頻響應。這些細節是我們在選擇器件的時候需要認真在datasheet里面找答案的。

DC-DC的應用比LDO要稍微復雜一些，需要注意的地方也更多。我們先來看看走線對電路尤其是對電源電路的影響。PCB上的走線都會存在一定的走線電感，根據走線的寬度，厚度，和幾何形狀的不同，走線電感也會不同。一個簡單的經驗值是1oz的銅厚，30mil的走線寬度，1inch的走線長度的走線電感大約為20nH。這個電感值似乎并不大，但我們來看看在電源芯片上產生的影響。DC-DC通常都會應用在大電流的應用場景。我們來假設一個2A的應用環境。DC-DC要能夠保證系統從0A到2A之間電流需求的供應。那么1inch長度的走線會使電壓產生多大的偏移，我們可以帶入下面的計算公式：

V=L*di/dt

　　其中L是走線電感，di是電流變化量，dt是開關轉換速度。DC-DC的開關轉換速度一般可以取值30ns來計算。帶入公式我們可以得出V=20nH*2A/30ns=1.33V!

通過計算我們可以看出來，即使是1inch的走線，由于電源部分的走線的電流很大，一樣會引起電壓很大的偏移。這樣的偏移嚴重的會導致電源徹底失效。在上面的這幾個變量里，電流變化量是系統決定的我們不能改變，開關轉換速度是由電源芯片決定的，雖然有些芯片可以在一定范圍內調整，但是如果轉換速度過慢，開關損耗又是我們不能不考慮的問題，這個值也不會帶來很大改善，那么我們能做的自然就是盡量的減小走線距離了。通過上面的計算我們還應該看到的就是，電源部分那些電流較大的走線我們需要更加注意，另外一些走線比如使能信號等小信號的走線就可以作為次要考慮。

除了走線的影響以外，過孔一樣存在一定的寄生電感，那么在大電流的路徑上盡量減少過孔的使用，當然也不能教條。如果由于不用過孔導致的繞線距離過長，那就得不償失了。基本原則就是看哪種方式的影響更小。一個有用的經驗值就是50mil板厚內徑為10mil的過孔寄生電感大約為1nH。另外一個建議就是如果一定要使用過孔，多個過孔并聯優于單個過孔。這個很容易理解，多個過孔并聯，相當于降低了寄生電感感值。

下面再來看看DC-DC開關頻率。DC-DC電源的開關頻率越高，所需要的電感體積和感值就越小。但并不是說DC-DC的開關頻率越高越好。因為過高的開關頻率，同樣會引入開關噪聲，如果系統的敏感頻率恰好在這個范圍，那么開關頻率和它的諧波就會對系統產生影響。另外開關頻率過高，開關損耗也會增加，效率降低。這里我們要弄清楚的是開關頻率和開關轉換速度的區別。做個簡單的類比，開關頻率就像我們信號的頻率，開關轉換速度就像是信號的上升沿。開關轉換速度越快，就相當于信號的上升沿越陡，其中包含的頻率分量越豐富，引入系統的噪聲越大。一般來說，開關轉換速度對系統的影響要比開關頻率還要大，更應該引起我們的注意。

下面簡單說說電容的選擇。在沒有尺寸和成本限制的情況下多放幾顆/幾種電容，對供電系統來說不是什么壞事。但是更多的設計里面都不會這么自由，很多消費電子的設計，對每一顆電容的成本都會斤斤計較。這些時候我們就需要通過計算，仿真等手段來確定系統所需電容的容值和數量。要想得到準確的結果，我們需要清楚系統的工作頻率，電壓波動容忍度，電流瞬態變化量等等，也就是說我們要對自己的系統有很深入的理解。對于一些簡單的系統，如果對電流的需求不是很高，免去復雜的計算，可以在設計的時候按照幾個數量級放置幾種不同的電容，一般情況下是能夠正常工作的。

最后再說一下電感。電感的選擇在電源芯片的Datasheet里都會有詳細的介紹，根據開關頻率的不同選擇的感值和封裝都會有所區別。提一個容易被忽視的地方。一般的概念里電感是沒有方向的，電感的兩端是一樣的。實際上并不是這樣。一般的電感會有一個磁芯，電線纏繞在磁芯周圍。那么電線總有一個起始端一個結束端。起始端的電線纏繞在磁芯的內側，結束端的電線纏繞在磁芯的外側。那么把電感的起始端連接在DC-DC的開關節點一端，結束端連接在DC-DC的輸出電壓一端，這樣輸出電壓在物理上可以對開關節點電壓有一定的屏蔽作用，降低電源系統的EMI。一般電感的起始端會有一個白點作為標注，可以注意一下。

就電源設計來說，充分考慮以上提到的幾個方面，優化器件的布局，讓大電流走線和開關走線盡量短，選擇合適的器件，就能有效的減小電源出錯的可能性。

審核編輯：黃飛

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