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低功耗低噪聲電源設計感想
在做硬件系統設計時,需要選擇正確的電源供電芯片，無論是設計消費數碼電子還是無線傳感設備,需要權衡好產品的各個功能需求。在對噪聲抑制、耗電量、壓降、和電源電壓電流等指標做出評估和劃定優先級后,才可以進行電源IC的選擇。
每個信號路徑需要“干凈”的電源。電源管理是系統設計的最后部分。圖1顯示了如何為信號路徑供電的實例系統。
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本人目前設計一個需要超低功耗的無線產品，一個3AH的電池要能工作5-6年，這個需要整個通信機制需要有省電的功能，也需要產品本身需要有超低功耗的能力，一個無線產品需要具有超低功耗需要從產品的幾個構成部分來分析：
1）電源部分
?2）RF部分
3）CPU部分
?4）其他部分
這里結合我的工作做對電源部分的分析：
選擇電源芯片原則：
1）選擇工藝成熟，產品質量好，性價比好的廠家產品
2）選擇工作頻率高的產品，降低周圍器件，降低成本。
3）用封裝小的，但要考慮輸出電流的大小，一般都是小封裝小電流，大封裝大電流
4）選擇技術支持好的廠家，特別是小公司選擇電源器件時要注意，小公司別人不理睬你！！！
?5）選擇資料齊全的，最好有中文的，樣品可以申請的，最好有免費的，供貨周期短的，最好不 要老停產
以上是從大的層面來做分析，包括設計和采購等方面來考慮。
從技術要求的層面來分析，
?一、LDO 器件選擇：
LDO選擇4個要素：壓差、噪聲、靜態電流、共模抑制比。
僅僅從省電來說，主要看靜態電流，有的LDO靜態電流很小，1UA左右，就是LDO工作時，自身的耗電，這個參數在省電中很關鍵，越小肯定越好，但不可能為0，LDO的耗電有兩個指標：一個為靜態電流，一個為SET_OFF電流，要區分哦！！還有壓差，這個好理解，壓差為0就是很理想的LDO。
我現在用的是S-1206系列，日本的，用日貨，沒有辦法，SOT23，路過的朋友介紹一個國貨給我，質量要好的，還有R1180X系列，好像也是日本的。以上都是5ua以下的IQ值。
但是做RF的LDO，就需要考慮：噪聲抑制了，因為RF這玩意對噪聲的敏感度太高了。
電源抑制比PSRR (Power supply ripple rejection ratio))是反映輸出和輸入頻率相同的條件下，LDO輸出對輸入紋波抑制能力的交流參數。和噪聲(Noise)不同，噪聲通常是指在10Hz至100kHz頻率范圍內，LDO在一定輸入電壓下其輸出電壓噪聲的均方值(RMS),PSRR的單位是dB，公式如下：PSRR=20 log(△vin/△vout)
電源影響信號路徑性能
并不意外的是,電源影響模擬信號完整性,這最終會影響整體的系統性能。提高信號路徑性能的一種簡單方法是選擇正確的電源。在選擇電源時,影響模擬信號路徑性能的一個關鍵參數是電源線上的噪聲或紋波。電源線上的噪聲或紋波可以耦合到運算放大器的輸出中,增加鎖相環(PLL)或壓控振蕩器(VCO)的抖動,或者降低ADC的SNR。低噪聲和低紋波的電源還能改善信號路徑性能。
電源線上的噪聲或紋波的來源具有多樣性。在系統內的高速數據和高頻信號本身會產生噪聲,PCB的印制線和連接線如果設計不當,可以形成發射天線的效應。數字IC,例如微控制器和現場可編程門陣列(FPGA)以及復雜可編程邏輯器件(CPLD)具有很快的邊沿跳變速度,電流的大小變化很大,將產生電磁干擾輻射到系統中。IC硅片在內部產生熱噪聲,這是由于在溫度高于絕對0攝氏度時分子的隨機運動和碰撞產生的。
有三種常用的方法來使信號路徑中的噪聲和紋波最小：非常仔細的系統PCB布局、恰當的電源旁路處理以及正確的電源選擇。盡管PCB的具體設計取決于系統,但就一般而言,PCB的布局需要考慮包括正確的器件布局、使信號路徑連接線的長度最小以及采用實體的地等。
對電源軌進行旁路處理是一種常用的方法,這種方法通常在模擬IC產品手冊中被推薦用于濾出噪聲。信號路徑IC可以具有分離的模擬、數字和PLL電源輸入,建議每個采用自己獨立的旁路處理。PLL電源和模擬電源對噪聲和紋波最敏感。旁路電容、阻容(RC)濾波器以及EMI抑制濾波器使進入信號路徑的電源噪聲最小化。
正確的電源選擇可以降低對信號路徑IC的噪聲和紋波影響。在選擇一種電源時,設計師首先在開關變換器和線性穩壓器之間作一個基本選擇。開關轉換器提供較高的頻率,更高的頻率意味著較低的整體系統功耗。線性穩壓器提供一種易于使用的解決方案,同時降低電源軌的噪聲/紋波。使用線性穩壓器降低噪聲和紋波可以改善信號路徑性能。
毫無疑問，在便攜式無線產品里，即需要自身工作耗電電流小的，又需要PSRR大的LDO，但是目前市面上的LDO產品，能兼顧到這兩個指標的產品很少，本人找到一個S1167的LDO，工作自身耗電為9UA,PSRR為70dB，應該說是比較兼顧這兩個指標的，但是是日本貨。
單單是考慮到PSRR,而IQ在45左右都無所謂的話，用AS1361是不錯的，PSRR可到90dB以上。
二、DC-DC電源選擇
對于DC-DC來說，主要考慮轉換的效率，紋波,輸入輸出電壓等.
在選擇DC/DC變換器時，電路設計要注意輸出電流、高效率、小型化，輸出電壓要求：
1. 如需求的輸出電流較小，可選擇FET內置型；輸出電流需要較大時，選擇外接FET類型。
2. 關于效率有以下考慮：如果需優先考慮重負荷時的紋波電壓及消除噪音，可選擇PWM控制型；如果同時亦需重視低負荷時的效率，則可選擇PFM/PWM切換控制型。
3. 如要求小型化，則可選擇能使用小型線圈的高頻產品。
4. 在輸出電壓方面，如果輸出電壓需要達到固定電壓以上，或需要不固定的輸出電壓時，剛可選擇輸出可變的VDD/VOUT分離型產品。
DC-DC工作方式PFM與PWM比較 ：
PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切換控制模式這三種控制方式各有各的優點與缺點： DC/DC變換器是通過與內部頻率同步開關進行升壓或降壓，通過變化開關次數進行控制，從而得到與設定電壓相同的輸出電壓。
PFM控制時，當輸出電壓達到在設定電壓以上時即會停止開關，在下降到設定電壓前，DC/DC變換器不會進行任何操作。但如果輸出電壓下降到設定電壓以下，DC/DC變換器會再次開始開關，使輸出電壓達到設定電壓。PWM控制也是與頻率同步進行開關，但是它會在達到升壓設定值時，盡量減少流入線圈的電流，調整升壓使其與設定電壓保持一致。
與PWM相比，PFM的輸出電流小，但是因PFM控制的DC/DC變換器在達到設定電壓以上時就會停止動作，所以消耗的電流就會變得很小。因此，消耗電流的減少可改進低負荷時的效率。PWM在低負荷時雖然效率較遜色，但是因其紋波電壓小，且開關頻率固定，所以噪聲濾波器設計比較容易，消除噪聲也較簡單。
若需同時具備PFM與PWM的優點的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。此功能是在重負荷時由PWM控制，低負荷時自動切換到PFM控制，即在一款產品中同時具備PWM的優點與PFM的優點。在備有待機模式的系統中，采用PFM/PWM切換控制的產品能得到較高效率。
高頻的優點 ：
通過實際測試PWM與PFM/PWM的效率，可以發現PWM/PFM切換的產品在低負荷時的效率較高。至于高頻方面，通過提高DC/DC變換器的頻率，可以實現大電流化、小型化和高效率化。但是，必須注意的是只有通過線圈的特性配合才可以提高效率。因為當DC/DC變換器高頻化后，由于開關次數隨之增加的原因，開關損失也會增大，從而導致效率會有所降低。因此，效率是由線圈性能提升與開關損失增加兩方面折衷決定的。通過使用高效率的產品，相對可使用較低電感值的線圈，可以使用小型線圈，即使使用的是小型線圈也可得到相同的效率及輸出電流。
外接器件選擇：
除了需要關注DC/DC變換器本身的特性外, 外接組件的選擇也不能忽視。外接組件中的線圈、電容器和FET對于開關電源特性有著很大影響。這里所謂的特性是指輸出電流、輸出紋波電壓及效率。
線圈：如果需要追求高效率，最好選擇直流電阻和電感值較小的線圈。但是，如果電感值較小的線圈用于頻率較低的DC/DC，就會超過線圈的額定電流，線圈會產生磁飽和現象，引起效率惡化或損壞線圈。而且如果電感值太小，也會引起紋波電壓變大。所以在選擇線圈時，請注意流向線圈的電流不要超過線圈的額定電流。在選擇線圈時，需要根據輸出電流、DC/DC的頻率、線圈的電感值、線圈的額定電流和紋波電壓等條件綜合決定。
電容：輸出電容的容量越大，紋波電壓就越小。但是較大的容量也意味著較大的電容體積，所以請選擇最適合的容量。
三極管：作為外接的三極管，與雙極晶體管相比，因FET的開關速度比較快，所以開關損耗會較小，效率會更高一些。
DC-DC基本原理：
DC-DC電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優點。但是由于電路工作在開關狀態，所以噪聲比較大。 通過下圖，我們來簡單的說說降壓型開關電源的工作原理。如圖所示，電路由開關K（實際電路中為三極管或者場效應管），續流二極管D，儲能電感L，濾波電容C等構成。當開關閉合時，電源通過開關K、電感L給負載供電，并將部分電能儲存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開關接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間后，開關斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續流。這電流流過負載，從地線返回，流到續流二極管D的正極，經過二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個回路。通過控制開關閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調制），就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現了穩壓的目的。
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在開關閉合期間，電感存儲能量；在開關斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲能電感。二極管D在開關斷開期間，負責給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續流二極管。
在實際的開關電源中，開關K由三極管或場效應管代替。當開關斷開時，電流很小；當開關閉合時，電壓很小，所以發熱功率U×I就會很小。這就是開關電源效率高的原因。
升壓式DC/DC變換器原理：
升壓式DC/DC變換器主要用于輸出電流較小的場合，只要采用1~2節電池便可獲得3~12V工作電壓，工作電流可達幾十毫安至幾百毫安，其轉換效率可達70%-80%。
升壓式DC/DC變換器的基本工作原理如圖所示。
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電路中的VT為開關管，當脈沖振蕩器對雙穩態電路置位(即Q端為1)時，VT導通，電感VT中流過電流并儲存能量，直到電感電流在RS上的壓降等于比較器設定的閩值電壓時，雙穩態電路復位，即Q端為0。此時VT截止，電感LT中儲存的能量通過一極管VD1供給負載，同時對C進行充電。當負載電壓要跌落時，電容C放電，這時輸出端可獲得高于輸大端的穩定電壓。輸出的電壓由分壓器R1和R2分壓后輸入誤差放大器，并與基準電壓一起去控制脈沖寬度，由此而獲得所需要的電壓，即式中:VR——基準電壓。
DC-DC電路PCB設計要求：?????????
在設計印刷線路板時，設計工程師都會仔細思考銅線的走線方式和元器件的放置問題。如果沒有充分考慮這兩點，印刷線路板的效率、最大輸出電流、輸出紋波及其它特性都將會受到影響。產生這些影響的兩個主要原因則是地線(GND、VSS)和電源線(+B、VCC、VDD)的連接，如果地線及電源線設計合理，電路將能正常地工作，獲得較好的性能指標，否則會產生干擾、性能指標惡化等問題。本文就DC/DC轉換器的設計，介紹一些通用的設計原則和地線連接方法。
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??圖1：基于基本設計原則的布線模式。圖2：升壓電路的PCB設計示例。圖3：降壓電路的PCB設計示例。
設計原則
印制線走線方式和元器件的放置常常會影響電路的性能。以下提出了接地線設計的四個原則：
1. 用平面布線方式(planar pattern)接地；
2. 用平面布線方式接電源線；
?3. 按電路圖中的信號電流走向依序逐個放置元器件；
4. 實驗獲得的數據在應用時不應做任何調整，即使受板的尺寸或其它因素影響也應原樣復制數據。
在設計中注意以上原則和要點，可以減少電路噪聲和信號干擾。除了以上的基本原則外，在設計銅線走線模式和元件放置時應謹記以下兩點：布線之間會產生雜散電容；連線長度會產生阻抗。在設計中注意線間雜散電容和縮短布線長度有利于消除噪聲，減少輻射的產生。
在上面的幾個基本原則基礎上，設計工程師應注意以下幾點(參見圖1)：
1. 根據電路原理圖進行元件的布局，輸入電流線和輸出電流線應進行區別；
2. 合理放置元器件，保證它們之間的連線最短，以減少噪聲；
3. 在電壓變化很大和流過大電流的地方應小心設計以降低噪聲；
4. 如果電路中采用了線圈和變壓器，必須小心進行連接；
5. 電路設計時，將元器件放置在同一方向，便于回流焊接；
6. 元器件間或元器件焊盤和焊盤間必須保證0.5毫米以上的間隙，避免出現橋接。
PCB設計示例
a. 升壓轉換器模式布線方式
在升壓轉換器中，輸出電容(CL)的位置比其它元件更重要，參考圖2。建議在PCB設計時注意以下兩點：
1. 將輸出電容盡可能與IC靠近，盡量減小電流回路。
2. 在PCB板的背面用平面布線方法進行地線連接，板背面的接地線應通過一個過孔與板正面的接地線相連。
b. 降壓轉換器布線方式
在降壓電路設計中，肖特基二極管的位置很關鍵，見圖3所示。在PCB設計中注意以下幾點：
1. 肖特基二極管接地點設計將影響輸出的穩定性；
2. 肖特基二極管陰極連接線的長度將影響輸出的穩定性；
3. PCB背面用大面積銅箔作為地，通過過孔與正面地連接。
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工商網監
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