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應(yīng)用電路板的多軌電源設(shè)計(jì)——第1部分：策略

發(fā)布時(shí)間：2020-09-18 來(lái)源：Ching Man 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】緊迫的時(shí)間表有時(shí)會(huì)讓工程師忽略除了 VIN、 VOUT和負(fù)載要求等以外的其他關(guān)鍵細(xì)節(jié)，將PCB應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)放在事后再添加。遺憾的是，后續(xù)生產(chǎn)PCB時(shí)，之前忽略的這些細(xì)節(jié)會(huì)成為難以診斷的問題。例如，在經(jīng)過漫長(zhǎng)的調(diào)試過程后，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)電路會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)故障，比如，因?yàn)?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >開關(guān)噪聲，導(dǎo)致隨機(jī)故障的來(lái)源則很難追查。

簡(jiǎn)介：工程師在不斷發(fā)展的時(shí)代所面臨的挑戰(zhàn)

緊迫的時(shí)間表有時(shí)會(huì)讓工程師忽略除了 VIN、 VOUT和負(fù)載要求等以外的其他關(guān)鍵細(xì)節(jié)，將PCB應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)放在事后再添加。遺憾的是，后續(xù)生產(chǎn)PCB時(shí)，之前忽略的這些細(xì)節(jié)會(huì)成為難以診斷的問題。例如，在經(jīng)過漫長(zhǎng)的調(diào)試過程后，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)電路會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)故障，比如，因?yàn)殚_關(guān)噪聲，導(dǎo)致隨機(jī)故障的來(lái)源則很難追查。

此專題分兩部分討論，本文是第一部分，主要介紹在設(shè)計(jì)多軌電源時(shí)可能會(huì)忽略的一些問題。第一部分著重介紹策略和拓?fù)洌诙糠种攸c(diǎn)討論功率預(yù)算和電路板布局的細(xì)節(jié)，以及一些設(shè)計(jì)技巧。許多應(yīng)用電路板都使用電源來(lái)偏置多個(gè)邏輯電平，本系列文章將探討多電源電路板解決方案。旨在實(shí)現(xiàn)首次即正確的設(shè)計(jì)拓?fù)浠虿呗浴?/div>

選擇繁多

對(duì)于特定的電源設(shè)計(jì)，可能有多種可行的解決方案。在下面的示例中，我們將介紹多種選擇，例如單芯片電源與多電壓軌集成電路(IC)。我們將評(píng)估成本和性能取舍。探討低壓差(LDO)穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器（一般稱為降壓或升壓穩(wěn)壓器）之間的權(quán)衡考量。還將介紹混合方法（即LDO穩(wěn)壓器和降壓穩(wěn)壓器的混合與匹配），包括電壓輸入至輸出控制(VIOC)穩(wěn)壓器解決方案。

在本文中，我們將分析開關(guān)噪聲，以及在開關(guān)電源設(shè)計(jì)無(wú)法充分濾波時(shí)，PCB電路會(huì)受哪些影響。從總體設(shè)計(jì)角度來(lái)看，還需考慮成本、性能、實(shí)施和效率等因素。

例如，如何根據(jù)給定的一個(gè)或多個(gè)電源實(shí)現(xiàn)多電源拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)？我們將藉此深入探討設(shè)計(jì)、IC接口技術(shù)、電壓閾值電平，以及哪類穩(wěn)壓器噪聲會(huì)影響電路。我們將分析一些基本邏輯電平，例如5 V、3.3 V、2.5 V和1.8 V晶體管-晶體管邏輯(TTL)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)，及其各自的閾值要求。

本文還會(huì)提及正發(fā)射極耦合邏輯(PECL)、低壓PECL(LVPECL)和電流模式邏輯(CML)等先進(jìn)邏輯，但不會(huì)詳細(xì)介紹。這些都是超高速接口，對(duì)于它們來(lái)說(shuō)，低噪聲電平非常重要。設(shè)計(jì)人員需要知道如何避免信號(hào)擺幅引起的這些問題。

在電源設(shè)計(jì)中，成本和性能要求并存，所以設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮邏輯電平和對(duì)干凈電源的要求。在公差和噪聲方面，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可靠性并提供適當(dāng)裕量，也可以避免生產(chǎn)問題。

設(shè)計(jì)人員需要了解與電源設(shè)計(jì)相關(guān)的權(quán)衡考量：哪些可實(shí)現(xiàn)？哪些可接受？如果設(shè)計(jì)達(dá)不到要求的性能，那么設(shè)計(jì)人員必須重新審視選項(xiàng)和成本，以滿足規(guī)格要求。例如，多軌器件（例如 ADP5054）可以在保持成本高效的同時(shí)提供所需的性能優(yōu)勢(shì)。

典型設(shè)計(jì)示例

我們先來(lái)舉個(gè)設(shè)計(jì)示例。圖1顯示將12 V和3.3 V輸入電源作為主電源的電路板框圖。主電源必須降壓，以便針對(duì)PCB應(yīng)用產(chǎn)生5 V、2.5 V、1.8 V，甚至3.3 V電壓。如果外部3.3 V電源能夠提供足夠的電源和低噪聲，那么可以直接使用3.3 V輸入電軌，無(wú)需額外調(diào)節(jié)，以免產(chǎn)生額外成本。如果不能，則可以使用12 V輸入電軌，通過降壓至PCB應(yīng)用所需的3.3 V來(lái)滿足電源要求。

圖1.需要多軌電源解決方案的應(yīng)用電路板概覽。

邏輯接口概述

PCB一般使用多個(gè)電源。IC可能僅使用5 V電源；或者，它可能要求多個(gè)電源，輸入/輸入接口使用5 V和3.3 V，內(nèi)部邏輯使用2.5 V，低功耗休眠方式使用1.8 V。低功耗模式可能始終開啟，用于定時(shí)器功能、管理等邏輯，或用于中斷時(shí)啟用喚醒模式，或者用于IRQ引腳，以啟用IC功能并為其供電，也就是5 V、3.3 V和2.5 V電源。所有這些或其中部分邏輯接口通常都在IC內(nèi)部。

圖2顯示了標(biāo)準(zhǔn)邏輯接口電平，包括各種TTL和CMOS閾值邏輯電平，以及它們可接受的輸入和輸出電壓邏輯定義。在本文中，我們將討論何時(shí)將輸入邏輯驅(qū)動(dòng)至低電平（用輸入電壓低 (VIL)表示），何時(shí)驅(qū)動(dòng)至高電平（用輸入邏輯電平高 VIH表示）。我們將重點(diǎn)分析VIL，即圖2中標(biāo)記為“Avoid”的閾值不確定區(qū)域。

在所有情況下，必須考慮±10%的電源公差。圖3顯示了高速差分信號(hào)。本文將著重探討圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。

圖2.標(biāo)準(zhǔn)邏輯接口電平。

開關(guān)噪聲

未經(jīng)過充分濾波時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器降壓或升壓電源設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生幾十毫伏至幾百毫伏的開關(guān)噪聲，尖峰可能達(dá)到400 mV至600 mV。所以，了解開關(guān)噪聲是否會(huì)給使用的邏輯電平和接口造成問題非常重要。

安全裕度

為確保提供合適的安全裕度，實(shí)現(xiàn)可靠的PSU，一條設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法則是采用最糟糕情況下的–10%公差。例如，對(duì)于5 V TTL，0.8 V的VIL變成0.72 V，對(duì)于1.8 V CMOS，0.63 V的VIL變成0.57 V，閾值電壓(VTH)也相應(yīng)降低（5 V TTL VTH = 1.35 V，1.8 V CMOS VTH = 0.81 V）。開關(guān)噪聲(VNS)可能為幾十毫伏到幾百毫伏。此外，邏輯電路本身也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲(VN)，即干擾噪聲。總噪聲電壓(VTN = VN + VNS)可能在100 mV至800 mV之間。將VTN添加至標(biāo)稱信號(hào)中，以生成總信號(hào)電壓(VTSIG)：實(shí)際的總信號(hào)(VTSIG = VTSIG + VTN)會(huì)影響閾值電壓(VTH)，進(jìn)一步擴(kuò)大了avoid區(qū)域。VTH區(qū)域內(nèi)的信號(hào)電平是不確定的，在該區(qū)域內(nèi)，邏輯電路可以任意隨機(jī)翻轉(zhuǎn)；例如，在最糟糕的情形下，會(huì)錯(cuò)誤觸發(fā)邏輯1，而不是邏輯0。

圖3.高速差分邏輯接口電平。

多軌PSU注意事項(xiàng)和提示

通過了解接口輸入和IC內(nèi)部邏輯的閾值電平，我們現(xiàn)在知道哪些電平會(huì)觸發(fā)正確的邏輯電平，哪些會(huì)（意外）觸發(fā)錯(cuò)誤的邏輯電平。問題在于：要滿足這些閾值，電源的噪聲性能需要達(dá)到什么水平？低壓差線性穩(wěn)壓器噪聲很低，但在高壓降比下卻并不一定高效。開關(guān)穩(wěn)壓器可以有效降壓，但會(huì)產(chǎn)生一些噪聲。高效低噪的電源系統(tǒng)應(yīng)包含這兩種電源的組合。本文著重介紹各種組合，包括在開關(guān)穩(wěn)壓器后接LDO穩(wěn)壓器的混合方法。

（在需要時(shí)）最大化效率和最小化噪聲的方法1, 2

從圖1所示的設(shè)計(jì)示例可以看出，為了充分提高5 V穩(wěn)壓的效率并盡可能降低開關(guān)噪聲，需要分接12 V電路并使用降壓穩(wěn)壓器，例如 ADP2386。從標(biāo)準(zhǔn)邏輯接口電平來(lái)看，5 V TTL VIL 和 5 V CMOS VIL 分別是0.8 V和1.5 V，僅使用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，也具備適當(dāng)?shù)脑６取?duì)于這些電軌，通過使用降壓拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)效率最大化，而開關(guān)噪聲則低于采用5 V（TTL和CMOS）技術(shù)時(shí)的 VIL。通過使用降壓穩(wěn)壓器（例如圖4a所示的ADP2386配置），效率可以高達(dá)95%，如ADP2386的典型電路和效率曲線圖所示（見圖4b）。如果在此設(shè)計(jì)中使用噪聲較低的LDO穩(wěn)壓器，從VIN到VOUT的7 V壓降會(huì)導(dǎo)致消耗大量?jī)?nèi)部功率，一般表現(xiàn)為產(chǎn)生熱量和損失效率。為了以少量額外成本實(shí)現(xiàn)可靠設(shè)計(jì)，在降壓穩(wěn)壓器后接LDO穩(wěn)壓器來(lái)產(chǎn)生5 V電壓也是一項(xiàng)額外優(yōu)勢(shì)。

圖4.ADP2386的(a)典型電路和(b)效率曲線圖。

圖5.典型的ADP125應(yīng)用。

2.5 V和1.8 V CMOS的 VIL 分別是0.7 V和0.63 V。遺憾的是，此邏輯電平的安全裕度尚不足以避免開關(guān)噪聲。要解決此問題，有兩種方案可選。第一種：如果圖1所示的外部3.3 V電源具備足夠功率且噪聲極低，則分接這個(gè)外部3.3 V電源，并使用線性穩(wěn)壓器（LDO穩(wěn)壓器），例如 ADP125 （圖5）或 ADP1740 來(lái)獲得2.5 V和1.8 V電源。注意，從3.3 V到1.8 V有1.5 V壓降。如果此壓降會(huì)導(dǎo)致問題，則可以使用混合方法。第二種：如果外部3.3 V電源的噪聲不低，或不能提供足夠功率，則分接12 V電源，通過降壓穩(wěn)壓器后接LDO穩(wěn)壓器來(lái)產(chǎn)生3.3 V、2.5 V和1.8 V電源；混合方法如圖6所示。

加入LDO穩(wěn)壓器會(huì)稍微增加成本和板面積以及少量散熱，但要實(shí)現(xiàn)安全裕度，有必要作出這些取舍。使用LDO穩(wěn)壓器會(huì)小幅降低效率，但可以通過保持 VIN 至 VOUT 的少量壓降，使這種效率降幅達(dá)到最低：3.3 V至2.5 V，保持0.8 V，或3.3 V至1.8 V，保持1.5 V。可以使用帶VIOC功能的穩(wěn)壓器盡可能提高效率和瞬變性能。VIOC可以調(diào)節(jié)上游開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出，從而在LDO穩(wěn)壓器兩端保持合理的壓降。帶VIOC功能的穩(wěn)壓器包括 LT3045、 LT3042 和 LT3070-1。

LT3070-1是一款5 A、低噪聲、可編程輸出、85 mV低壓差線性穩(wěn)壓器。如果必須使用LDO穩(wěn)壓器，則存在散熱問題，其中功耗= VDROP × I。例如，LT3070-1支持3 A，穩(wěn)壓器兩端的功率降幅（或功耗）典型值為3 A × 85 mV = 255 mW。相比壓差為400 mV，輸出電流同樣為3 A，功耗為1.2 W的一些典型LDO穩(wěn)壓器，LT3070-1的功耗僅為其五分之一。

或者，我們可以使用混合方法，以犧牲成本為代價(jià)來(lái)提高效率。圖6中效率和性能均得到優(yōu)化，其中先使用降壓穩(wěn)壓器(ADP2386)將電壓降至允許的最低電壓，盡量提高效率，后接一個(gè)LDO穩(wěn)壓器(ADP1740)。

圖6.使用ADP2386和ADP1740組合的混合拓?fù)洹?/div>

此練習(xí)提供一個(gè)通用設(shè)計(jì)示例，用于顯示一些拓?fù)浜图夹g(shù)。但是，也不能忘記考慮其他因素，例如IMAX、成本、封裝、壓降等。

也提供低噪聲降壓和升壓穩(wěn)壓器選項(xiàng)，例如 Silent Switcher® regulators，它具備極低的噪聲和低EMI。例如，從性能、封裝、尺寸和布局區(qū)域來(lái)看， LT8650S 和 LTC3310S 具有成本高效特性。

封裝、功率、成本、效率和性能取舍

量產(chǎn)PCB設(shè)計(jì)通常要求使用緊湊的多軌電源，以實(shí)現(xiàn)高功率、高效率、出色的性能和低噪聲。例如，ADP5054四通道降壓穩(wěn)壓器為FPGA等應(yīng)用提供高功率(17 A)單芯片多軌電源解決方案，如圖7所示。整個(gè)電源解決方案約41 mm × 20 mm大小。ADP5054本身的大小僅為7 mm × 7 mm，可以提供17 A總電流。要在緊湊空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的功率電平，可以考慮使用ADI的 µModule® regulators，例如 LTM4700，可以在15 mm × 22 mm的封裝大小內(nèi)提供高達(dá)100 A電流。