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严重年夜电路接地和供电的适用措施

宣布时间:2015年07月06日 11:07    宣布者:wp1981
要害词: 接地 , 严重年夜电路
作者: Nicholaus W Smith

随着电子产物尺寸变得愈来愈紧凑、功效愈来愈强年夜、用处加倍普遍,事实的系统级请求,和移动和结实装备的严重年夜性也变得日趋凹陷。这类严重年夜性泉源于请求在模拟和数字电路之间完成无线和有线的互连,须要系统工程师应用多个电源轨和混淆电路设计。具有模拟和数字旌旗暗记的电路浅易偏向于设置几个接地参考,这样经常招致电路杂乱无章,设计目的没法完成,外面上看上去很可靠的妄图却事实成为误差之源。

为了打牢严重年夜电路系统坚实的工程化基础,必须要使电源和接地处置赏罚赏罚妄图自动地去凭证工程化请务虚验来优化性能和散热效果,同时增添EMI辐射和旌旗暗记的噪声滋扰。本文将从功率传输的角度来叙述若何优化严重年夜电路,以便能够刷新旌旗暗记完全性,使各个功效模块准确接地来完成事实的系统设计。这里将重点放在明确电路的需求和事后妄图事实的系统,由于这两个法式模范的效果是有用地把图纸改酿成事实的印刷电路板。在设计阶段花一些时间从电流蹊径和噪声敏理性的角度来推敲一个严重年夜系统的每个功效模块,然后凭证电流总是在一个循环回路中运动的质朴正义来设置这些模块及供电电路,这样当今系统工程师所面临的严重年夜电路便可以分化为许多可治理的部门,以便完成事实的可靠设计。

质朴电路的电源和接地剖析

为了证实该现实,让我们来看一个质朴的电路并推敲所示的毗连。该基本电路网罗三个要素,一个高压差(LDO)线性调治器,一个微处置赏罚赏罚USB数据线接到音频驱动器,和一个扬声器,所有这些都由一个毗连到某个盘算主机的USB插头供电。在本例中,USB到音频驱动器必须用3.3V供电。由于扬声器接纳音频驱动器的输入供电,以是音频输入驱动器须要+3.3V LDO,其由USB毗连器供电(+5V),这似乎可以取得一个不言而喻的结论,便可将它们放置在图1(a)原理图所示的职位。

然则,在这类框架下,驱动扬声器使命的电流在前往到电流源驱动器时会发生一个电压反弹,该电压反弹会反已往作用于LDO并事实影响到USB毗连器。在本例中,把USB数据转换为音乐的基准电压会以音乐播放的速率反弹。由于扬声器电感所发生的相移会增年夜误差,这将和由于电流提升发生的高音量混淆在一起。电压反弹也将招致纹波泛起,这将降低扬声器收回的音质。

有两种措施可尽能够增添纹波电流的影响。一是经由历程在异常靠近USB到音频IC处增添一个电容(C1),使其接在VLDO节点到GND引脚之间,这样一来该电容器被置于这些节点的中央肠位。增添纹波应当针对所感兴趣的频率,在本例中的情形下,为可听规模<20kHz。可以经由历程电容电流等式(1)来拔取电容值以便尽能够降低LDO的纹波电流,直至滋扰完全去除。

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这将增添到达DC的纹波,以后电流只惹起电压降,而且不会随时间而变换许多(下面等式中的Δt应当被视为可听频率12~14kHz的匀称值)。经由历程在各IC之间应用较宽的电源和GND毗连来限制由欧姆定律所取得的电压降值(电流与电阻的乘积),可控制误差的年夜小。

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图1:一个质朴的电路注解电源电路会惹起反弹,而且会前往电源。

GND和电源线的宽度应当凭证可吸收的消耗来一定。关于尺度的1盎司铜印刷电路板,其电阻可以预算年夜约为每平方0.5mΩ。由于尔效果不克不及总是经由历程添加电容去减缓,而应当接纳Figure 1(b)中的妄图来从基本上处置赏罚赏罚。LDO是放在音频驱动IC的上方,可使平面声电流回路防止了敏感的音频驱动GND,这样发生的GND电压反弹不会影响音频驱动,只需小的纹波滋扰泛起。

严重年夜电路的电源和接地优化战略


不才面的应用案例中,只需两个电流回路。现在,我们换一个更严重年夜的例子。下面推敲的是一个较为严重年夜的平板电脑系统。在本例中,平板电脑网罗背光、触屏、摄像头、充电系统(USB和无线)、蓝牙、WiFi、音频输入(扬声器,耳机)、和用于存储数据的存储器。虽然,这些应用的年夜部门都须要不合电压的电源轨以便更好地使命。

如图2所示,该系统具有五个电源轨和两种给电池充电的措施,这意味着至少会有五个电流回路。但相比直流电源,和相关的各条电流蹊径,现实应用中有更多须要推敲的方面。电路中有多个开关稳压器,广播和吸收天线系统,所有这些都须要应用微处置赏罚赏罚器来协协调控制。展示的与电源和它们供电的模块相联系关系的电源蹊径和GND蹊径,有助于将电源和负载电流评价阻拦汇总,从而完成以下目的:

1.推敲元件的特殊功率和公差
2.一定毗连宽度
3.一定对电压降、噪声引入或发生的敏感度
4.限制电流环路面积以增添EMI辐射

在图2中,主电源轨已被色彩编码,流经照顾GND符号处的电流已被婚配到供应电流的电源轨。例如,每个与电池充电不相关的部件(白色),有一个端电流前往到电池,但USB到音频IC由3.3V BUCK调治器供电,而它是由5V Boost调治器供电的,以后接到电池。是以,GND电流从音频IC按前后序次前往到各调治器,然后到达电池,音频IC电流不会直接前往到电池。

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图2:尺度的移动平板电脑体现图模块。

图2所示的系统接纳了一个锂离子电池,经由历程USB充电器或无线功率发射器和吸收器可以阻拦充电。电池电压可被升压到+ 5V(用于相机变焦马达、针对微处置赏罚赏罚器的+3.3V降压调治器、音频和触摸屏),可降压到+ 1.2V(用于微处置赏罚赏罚器、存储器、蓝牙和WiFi),也可升压到+ 7V用于相机闪光灯。显着,电压调治器应放在各自的负载相近,但事实由于产物形状尺寸的限制,通常迫使设计者把负载放在距离电源较远的职位,或在电路板周围混淆放置。可以看出,每个电源须要支持多个负载,是以必须接纳全心筹谋的布线和结构妄图来控制电流蹊径和居心发生的EMI。这里是一些主要的结构推敲因素:i)可用的空间,ⅱ)机械方面的约束,ⅲ)电源和GND轨可吸收的电压降(负载电流和迹线/平面正方形数目标乘积),ⅳ)电源和GND电流蹊径,和v)资源(PCB层数,组件),ⅵ)数字或模拟旌旗暗记的频率,和从电源直接前往蹊径的可行性。

作为最后一个案例,这里简介一个假定的具无机械约束的事实系统。在这样的系统中,用户界面和所有尺寸会给设计带来一些限制。图3示出了每个模块的现实职位:

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图3:尺度的移动平板电脑应用模块和结构。

图3中的每个电源都被色彩编码以便分辨,图中最主要的部门是玄色标识的GND前往电流。由于多个电源是勾通的,招致每个事实负载和GND电流自愿以它们被加电时类似的序次去完成前往蹊径。例如,电池为BUCK1.2V调治器加电,该调治器为微处置赏罚赏罚器供电。是以,流经微处置赏罚赏罚器的电流在前往到电池之前,将直接前往到BUCK1.2V调治器器GND端。假定未能预感应所有的电流回路和电流蹊径完成的序次,便可以够招致电路运转不稳固,或许没有足够的GND电流前往,启事是这些效果没有在电路结构中适当地推敲到并加以控制。

例如,可以很容易地想到系统工程师会把蓝牙和WiFi天线放置在相机和闪光灯的职位。由照相机与无线/蓝牙模块的职位颠倒发生的效果是,纵然+ 1.2V电源依然可正常地把电力脱离来供应给那些须要的模块,高频蓝牙和WiFi的GND前往电流会直接流过微处置赏罚赏罚器/存储器模块的下方,由此可把与天线相关的纹波电流和电压反弹直接引入到高频微处置赏罚赏罚器GND和存储器存取。这将招致电池温度的模-数转换弱点,能够会破损扬声器的平面声响质,影响相机的分辨率,并招致存储器弱点,以致于数据损掉落。经由历程较量,如图中所画部门所示,从BUCK1.2V调治器到每个自力的负载和前往电源蹊径(在这类情形下为BUCK1.2V),WiFi /蓝牙电源和GND电流将保持自力而且接纳并联要领,防止了所有上述效果。

值得重视的是,上述所列出的各例中都假定接纳一个单一的GND,而且被画在一个铜平面上,该平面在一个PCB层中为一连和不一连的。此接地平面由电路中所有的模块共享,而不是隔分GND平面,或把它划分为多个子部门,以后应用组件来毗连GND平面及控制电流蹊径。专程的模块结构曾经泉源取得实验,由于这类措施应用自然的电流运动可使电路樊篱免受不须要的GND反弹影响。任何承载电流或电压(正电位)的线路必须要有一个前往蹊径,而前往蹊径应尽能够地靠近正电位形式的旌旗暗记,而且会被分配到源旌旗暗记/电源轨下方的GND平面上。

在明确了电流的运动和最小化电流环路的看法后可以取得一个显着的结论,单点接地要领是PCB设计的理想和首选措施,由于它显着增添了元件数目,电路板层数和潜在的辐射:每段线路和模块应当在PCB板上具有尽能够短的前往蹊径。凭证此指导准绳,系统设计职员只须要从准确的走线宽度、组件和模块的智能结构等角度来控制PCB设计。他没有须要去检查每段线路,或搭建多个实验板以取得准确的电源、旌旗暗记和GND妄图。单一、不一连的GND平面层带来的另外一个优点是该平面的一连性允许发生的热量匀称地漫衍在所有PCB外面,从而完成较低的使命温度。

结论


用于驱动任何电路的任何旌旗暗记(或电源),必须有适当的蹊径前往到泉源。电路设计职员必须推敲源和接地方案以准确地完成事实的系兼顾划。在实验阶段推敲负载和负载类型是相当主要的,如允许使那些惹起电压反弹的电流蹊径取得控制。在GND噪声不影响PCB性能的区域,结构和定位那些电流通路是完成有用和高效电路设计的要害。

参考文献

1.一个混淆旌旗暗记PCB板的脱离和结构,Ott, Henry,《印刷电路板设计杂志》(Printed Circuit Design Magazine),2001年6月。群集版:2014年8月13日。

2.盘算正方形数目:一种快速预算PWB线路阻抗的措施,Spataro, Vincent,EDN群集(EDN Network),2013年4月12日。群集版:2014年9月3日。
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wuxianghua1988 揭晓于 2015-7-14 08:54:17
珍藏一下,用到了再看~~~
spy007868 揭晓于 2015-7-14 09:00:40
谢谢分享
radio926 揭晓于 2015-8-28 19:29:40
谢谢分享
bijinyi 揭晓于 2015-9-28 16:40:33
谢谢分享.
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