電源設計注意事項

  電源如同人類的循環系統，是能源輸入輸出的地方，如果電源設計不合理，或者能量輸出不足，帶給整個電子系統都是致命的。

  對於線性電源來講，有些概念必需要注意，最大功耗 PD = | Vin - Vout | x Iout；熱阻是指熱量從器件的晶片上向外傳導時受到的阻力，其單位是℃/W。那麼熱阻和最大功耗PD之間的關係就爲   = （ TJ - TA ）/ PD，其中TJ 是結溫，TA是工做溫度。

根據上面的公式，咱們來計算一下經常使用的芯片AMS1117標稱最大可以達到1A的電流輸出，看一下實際可以達到多大。（假設是5V穩到3.3V）

  首先對應手冊，找出熱阻和結溫度，以下圖1所示。其中   = 90 ℃/W，結溫度TJ  = 150℃，工做溫度TA  = 25℃，根據上述公式獲得PD = 1.39W，那麼 Iout = 1.39 / （5 — 3.3） = 816.99mA，也就是說標稱最大達到1A的AMS1117正常工做時可以達到800mA左右，筆者經常在對電源芯片最大輸出電流打八折算，也就是最大輸出電流1A，實際上也就是到800mA左右。

圖1  AMS1117的熱阻

（1）電源餘量要留足

  電源必定要留足餘量，通常要比負載的峯值耗電至少多20%，這樣比較安全，不會發生意想不到的故障。

  電源餘量不足時，電源會工做在極限狀態，電源的紋波會劇烈上升，達到幾百mV甚至幾V。因此在肯定電源輸入以前，最好先估計整個板子系統上面的最大功耗。

1）對一個電子系統，認真分析電源需求，包括輸入電壓，輸出電壓和電流，總功耗，電源實現的效率，電源部分對負載變換的瞬態響應能力，關鍵器件對電源波動的容忍範圍以及相應容許的電源紋波，還有散熱問題等等。

  在評估時不只僅要關注滿負載，也要關注輕負載的效率水平。CPU在啓動時每每須要較大的電流，如果電源的響應速度不夠，會形成瞬間電壓降低過多，形成CPU出錯。、

2）肯定合理的電源電路實現方案。對於弱電部分，基本上實現的方案包括LDO和DC-DC實現方案，LDO的優勢是輸出的紋波較小，缺點效率不高，發熱量大，提供的電流不比DCDC大。DC-DC與LDO相比，紋波較大，這也是 DC-DC最大的缺點，優勢正好應對LDO的缺點。

電源佈線方面也有一些講究：

1）功率器件及干擾源器件要注意擺放的位置和方向，避免對板上的其餘器件形成干擾；

2）功率器件的線路的寬度應該寬一些，實現大電流的留出；

3）退耦電容容量要足，在板上的位置要合理；

4）電源線的線路不易過長，走線期間最好不要實現分叉，儘可能從源端流出；

（2）紋波問題要注意

  理想的直流電源輸出的電源應該是純正的直流，沒有絲毫的雜波。可是實際中，電源內部總會有內阻，在給負載供電時電流會隨着負載的變化而變化，在電源就會以紋波噪聲的形式體現出來。並且有些電源自己就會有輸出的波動，這一樣也是紋波。

  那麼什麼是紋波？紋波就是在直流中參雜的小幅度交流信號。純正的直流電壓等於一個常數C，有紋波的電壓其輸出公式就爲：V = C + sinA /a + sinB/b + sinC/c + sinD/d +........；C後面的實際上就是一個紋波信號的傅里葉展開式。

  電源紋波所帶的影響：

1）視頻系統中，圖像有條紋；

2）音頻系統中，揚聲器參雜有其餘雜聲；

3）A/D轉換精度不夠；

4）電路板上某個模塊失靈；

致使電源紋波的一些緣由：

1）電源容量不足，致使紋波增大；

2）系統內的高速時鐘信號和數據信號自己就會產生噪聲，反向影響到電源部分；

3）PCB的印製線和鏈接線不恰當，影響大電源紋波；

4）數字IC，如FPGA在高速運行時具備很快的跳變沿，瞬時電流也大幅度變化，產生電磁干擾串擾影響到其餘部件。

（3）鎮壓紋波勢在必行

  上面已經講述了紋波所帶來的危害是極大的，因此必需要減小紋波的產生或者下降紋波的數量級。有三種方法使得信號路徑的噪聲和紋波最小：很是仔細的系統PCB佈局、恰當的電源旁路處理以及正確的電源選擇。

1）LDO能有效的下降紋波的量級，在使用時LDO電路的輸入和輸出須要對地並聯電解電容器，一般在100uF以上。較低內阻（ESR）的大電容器通常能夠全面提升電源抑制比（PSRR）、噪聲以及瞬態性能。一般還要在大電容旁邊並聯一個0.1uF的陶瓷電容，以保證電源的高頻響應能力。電容的位置儘可能靠近電源的輸入部分。

2）值得一提的是，在信號迴路上有寄生的低頻振盪，通常是電源的低頻內阻太大，增長對地的電解電容器的容量，一般能夠解決；在信號迴路上有寄生的高頻振盪，通常是電源的低高頻內阻太大，增長對地的電解電容器的容量，一般能夠解決；

3）如果LDO對信號迴路進行供電，LDO就不要再對CPU進行供電，會影響純淨的LDO輸出。

陶瓷電容器是旁路高頻的首選，其故障模式是斷路，鉭電容的故障模式是短路，負責電路中的中頻紋波。陶瓷電容的ESR較低，大概在10mΩ級別，鉭電容的ESR大概在100mΩ級別，並且鉭電容能夠很容易作到10uF以上的量級，一般鉭電容用在DC-DC中用的比較多。電解電容負責衰減低頻的紋波，由於頻率低，因此電解電容的位置要求不是很高，只要有效果都差很少。

（4）DC/DC學問多

DC/DC的紋波比較大的緣由是斬波頻率形成的，因此在選擇DC/DC芯片時候要儘量選擇頻率較高的，有如下好處：

1） 頻率高，紋波頻率也高，更容易濾除；

2） 頻率高，能夠選擇低電感值，這樣會有更強負載能力；

3） 頻率高，能夠實現用小的電容實現理想的濾波效果；

4） 頻率高，自損耗電流也大；

  如果想最大限度的下降DC/DC或者其餘分立元件電源部分的紋波，能夠在電源的輸入端加入RC濾波電路，能起到很好的濾波效果。

對於DC/DC還要多說一點就是，每款DC/DC芯片的轉換效率和壓差也有關係，壓差越小，轉換效率高，以下圖2的MP2359的轉換效率和壓差之間的關係。並且在某個輸出電流值時具備最大的轉換效率。因此先估算整體功耗，而後對應系統最大的功耗選擇在某一個電流值輸出效率最大的一款DC/DC芯片。

圖2 效率與壓差之間的關係

  DC/DC也會出現發熱問題，用DC/DC作電源的設備，一般體積小，散熱更加困難。線性電源發熱加散熱片通常能對付過去。那麼在工程上面評價一個東西的散熱速度的指標叫作「熱阻」，其定義爲 反應阻值熱量傳遞能力的綜合參量，可見此參數應該是越小越好的。單位爲℃/W，即物體持續傳熱功率爲1W時，導熱路徑兩端的溫差。因此超過400mA的DC/DC 電路，建議使用低熱阻的IC。

DC/DC的芯片工做頻率越高，輸出電流越高，緣由以下：

1）DC/DC芯片的開關頻率越高，其產生的電源紋波越小，同時也越容易控制住紋波；

2）DC/DC外部通常都要配備一個儲存能量的電感，通常DC/DC工做頻率越高，尺寸就能夠選小些，且電感有必定的直流電阻，電流越大，發熱量也越高。

  DC/DC芯片的工做頻率高的話，就越有可能使用小電感量的電感，並且其直流電阻越小，發熱量也越小。對於使用大電流DC/DC狀況的方案，若要是最大限度的下降紋波，能夠將DC/DC周圍的器件的GND以最短路徑鏈接在一塊兒，實現以單點共地。由於這些導體存在必定的阻抗和感抗，單點共地能夠消除上述的影響。以下圖3是筆者曾經設計的DC/DC電路，將DC/DC周圍器件的GND鏈接在一塊兒，經過0Ω電阻R16實現單點共地。

圖3 DC/DC下降紋波電路

（5）容忍紋波範圍

其實沒有紋波的電源是不存在，上面也講了不少關於下降紋波的方法，紋波是必定要下降的，大多數器件都有一個容忍紋波的範圍，只要在器件所容忍的紋波範圍以內，都是能夠接受的。

因此對於5V供電，電源紋波應該在50mV如下，3.3V供電，電源輸入部分的紋波應該在20mV如下。