电源布线需要注意的事项 DC/DC的纹波比较大的原因

电源如同人类的循环系统，是能源输入输出的地方，若是电源设计不合理，或者能量输出不足，带给整个电子系统都是致命的。对于线性电源来说，有些概念必须要注意，最大功耗 PD = | Vin - Vout | x Iout；热阻是指热量从器件的晶片上向外传导时受到的阻力，其单位是℃/W。那么热阻和最大功耗PD之间的关系就为 = （ TJ - TA ）/ PD，其中TJ 是结温，TA是工作温度。根据上面的公式，我们来计算一下常用的芯片AMS1117标称最大能够达到1A的电流输出，看一下实际能够达到多大。（假设是5V稳到3.3V）首先对应手册，找出热阻和结温度，如下图1所示。其中 = 90 ℃/W，结温度TJ = 150℃，工作温度TA = 25℃，根据上述公式得到PD = 1.39W，那么 Iout = 1.39 / （5 ― 3.3） = 816.99mA，也就是说标称最大达到1A的AMS1117正常工作时能够达到800mA左右，笔者常常在对电源芯片最大输出电流打八折算，也就是最大输出电流1A，实际上也就是到800mA左右。图1 AMS1117的热阻（1）电源余量要留足电源一定要留足余量，一般要比负载的峰值耗电至少多20%，这样比较安全，不会发生意想不到的故障。电源余量不足时，电源会工作在极限状态，电源的纹波会剧烈上升，达到几百mV甚至几V。所以在确定电源输入之前，最好先估计整个板子系统上面的最大功耗。1）对一个电子系统，认真分析电源需求，包括输入电压，输出电压和电流，总功耗，电源实现的效率，电源部分对负载变换的瞬态响应能力，关键器件对电源波动的容忍范围以及相应允许的电源纹波，还有散热问题等等。在评估时不仅仅要关注满负载，也要关注轻负载的效率水平。CPU在启动时往往需要较大的电流，若是电源的响应速度不够，会造成瞬间电压下降过多，造成CPU出错。、2）确定合理的电源电路实现方案。对于弱电部分，基本上实现的方案包括LDO和DC-DC实现方案，LDO的优点是输出的纹波较小，缺点效率不高，发热量大，提供的电流不比DCDC大。DC-DC与LDO相比，纹波较大，这也是 DC-DC最大的缺点，优点正好应对LDO的缺点。电源布线方面也有一些讲究：1）功率器件及干扰源器件要注意摆放的位置和方向，避免对板上的其他器件造成干扰；2）功率器件的线路的宽度应该宽一些，实现大电流的留出；3）退耦电容容量要足，在板上的位置要合理；4）电源线的线路不易过长，走线期间最好不要实现分叉，尽量从源端流出；（2）纹波问题要注意理想的直流电源输出的电源应该是纯正的直流，没有丝毫的杂波。但是实际中，电源内部总会有内阻，在给负载供电时电流会随着负载的变化而变化，在电源就会以纹波噪声的形式体现出来。而且有些电源本身就会有输出的波动，这同样也是纹波。那么什么是纹波？纹波就是在直流中参杂的小幅度交流信号。纯正的直流电压等于一个常数C，有纹波的电压其输出公式就为：V = C + sinA /a + sinB/b + sinC/c + sinD/d +.。..。..。；C后面的实际上就是一个纹波信号的傅里叶展开式。电源纹波所带的影响：1）视频系统中，图像有条纹；2）音频系统中，扬声器参杂有其他杂声；3）A/D转换精度不够；4）电路板上某个模块失灵；导致电源纹波的一些原因：1）电源容量不足，导致纹波增大；2）系统内的高速时钟信号和数据信号本身就会产生噪声，反向影响到电源部分；3）PCB的印制线和连接线不恰当，影响大电源纹波；4）数字IC，如FPGA在高速运行时具有很快的跳变沿，瞬时电流也大幅度变化，产生电磁干扰串扰影响到其他部件。（3）镇压纹波势在必行上面已经讲述了纹波所带来的危害是极大的，所以必须要减少纹波的产生或者降低纹波的数量级。有三种方法使得信号路径的噪声和纹波最小：非常仔细的系统PCB布局、恰当的电源旁路处理以及正确的电源选择。1）LDO能有效的降低纹波的量级，在使用时LDO电路的输入和输出需要对地并联电解电容器，通常在100uF以上。较低内阻（ESR）的大电容器一般可以全面提高电源抑制比（PSRR）、噪声以及瞬态性能。通常还要在大电容旁边并联一个0.1uF的陶瓷电容，以保证电源的高频响应能力。电容的位置尽量靠近电源的输入部分。2）值得一提的是，在信号回路上有寄生的低频振荡，一般是电源的低频内阻太大，增加对地的电解电容器的容量，通常可以解决；在信号回路上有寄生的高频振荡，一般是电源的低高频内阻太大，增加对地的电解电容器的容量，通常可以解决；3）若是LDO对信号回路进行供电，LDO就不要再对CPU进行供电，会影响纯净的LDO输出。陶瓷电容器是旁路高频的首选，其故障模式是断路，钽电容的故障模式是短路，负责电路中的中频纹波。陶瓷电容的ESR较低，大概在10mΩ级别，钽电容的ESR大概在100mΩ级别，而且钽电容可以很容易做到10uF以上的量级，通常钽电容用在DC-DC中用的比较多。电解电容负责衰减低频的纹波，因为频率低，所以电解电容的位置要求不是很高，只要有效果都差不多。（4）DC/DC学问多DC/DC的纹波比较大的原因是斩波频率造成的，所以在选择DC/DC芯片时候要尽可能选择频率较高的，有以下好处：1） 频率高，纹波频率也高，更容易滤除；2） 频率高，可以选择低电感值，这样会有更强负载能力；3） 频率高，可以实现用小的电容实现理想的滤波效果；4） 频率高，自损耗电流也大；若是想最大限度的降低DC/DC或者其他分立元件电源部分的纹波，可以在电源的输入端加入RC滤波电路，能起到很好的滤波效果。对于DC/DC还要多说一点就是，每款DC/DC芯片的转换效率和压差也有关系，压差越小，转换效率高，如下图2的MP2359的转换效率和压差之间的关系。而且在某个输出电流值时具有最大的转换效率。所以先估算总体功耗，然后对应系统最大的功耗选择在某一个电流值输出效率最大的一款DC/DC芯片。图2 效率与压差之间的关系DC/DC也会出现发热问题，用DC/DC做电源的设备，通常体积小，散热更加困难。线性电源发热加散热片一般能对付过去。那么在工程上面评价一个东西的散热速度的指标叫做“热阻”，其定义为 反应阻值热量传递能力的综合参量，可见此参数应该是越小越好的。单位为℃/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差。所以超过400mA的DC/DC 电路，建议使用低热阻的IC。DC/DC的芯片工作频率越高，输出电流越高，原因如下：1）DC/DC芯片的开关频率越高，其产生的电源纹波越小，同时也越容易控制住纹波；2）DC/DC外部一般都要配备一个储存能量的电感，一般DC/DC工作频率越高，尺寸就可以选小些，且电感有一定的直流电阻，电流越大，发热量也越高。DC/DC芯片的工作频率高的话，就越有可能使用小电感量的电感，而且其直流电阻越小，发热量也越小。对于使用大电流DC/DC情况的方案，若要是最大限度的降低纹波，可以将DC/DC周围的器件的GND以最短路径连接在一起，实现以单点共地。因为这些导体存在一定的阻抗和感抗，单点共地可以消除上述的影响。如下图3是笔者曾经设计的DC/DC电路，将DC/DC周围器件的GND连接在一起，通过0Ω电阻R16实现单点共地。图3 DC/DC降低纹波电路（5）容忍纹波范围其实没有纹波的电源是不存在，上面也讲了很多关于降低纹波的方法，纹波是一定要降低的，大多数器件都有一个容忍纹波的范围，只要在器件所容忍的纹波范围之内，都是可以接受的。所以对于5V供电，电源纹波应该在50mV以下，3.3V供电，电源输入部分的纹波应该在20mV以下。