DC-DC和LDO電源電路的設計經(jīng)驗分享

電源設計經(jīng)驗之談

電源是一個(gè)系統的基礎，一個(gè)良好的電源設計是系統穩定運行的前提。在實(shí)際項目中，用到最多的電源結構應該就是外接適配器提供一個(gè)DC輸入，電壓可以是5V，9V，12V等等。然后在我們的PCB設計中通過(guò)各種不同的DC-DC或者LDO芯片來(lái)轉換出我們系統需要的各路電源。因此，我們接觸最多的應該就是DC-DC和LDO電源電路的設計。下面簡(jiǎn)單提一些容易忽略的細節，稍作改善，就能讓我們的電源設計更合理，提升電源部分的性能，使系統更穩定。

說(shuō)到電源，先要說(shuō)的就是DC-DC和LDO兩種電源芯片的選擇。兩種電源的優(yōu)缺點(diǎn)都非常明顯。DC-DC最大的優(yōu)點(diǎn)就是效率高，可以輸出大電流，電源效率普遍能夠做到百分之九十左右，有些甚至可以達到九十五以上。缺點(diǎn)也比較明顯，需要用到的外圍器件多，所占PCB面積大，成本高，由于開(kāi)關(guān)的存在濾波控制不好的話(huà)會(huì )給系統引入噪聲等等。LDO則正好相反，外圍器件簡(jiǎn)單，占用面積小，成本低，沒(méi)有開(kāi)關(guān)，輸出電源的線(xiàn)性度更好，但是效率取決于輸入和輸出電壓的壓差，壓差大效率就低。通過(guò)比較我們可以大致做出電源的選擇。如果電源壓差較小，或者電流較小，使用LDO是個(gè)不錯的選擇。如果壓差較大，或者電流較大，那么一般會(huì )推薦使用DC-DC。

LDO電源設計簡(jiǎn)單，成本低，外圍電路一般只需要幾顆旁路電容就夠了。雖然設計簡(jiǎn)單，但還是有些具體的地方需要注意。第一個(gè)要考慮的就是散熱。由于LDO的特性決定，壓差部分的功耗是要通過(guò)芯片本身的散熱釋放出去的。如果壓差和電流較大，那么器件上消耗的功耗就會(huì )比較大，散熱我們就不能不考慮。舉例說(shuō)明，如果我們用3.3V通過(guò)LDO降壓到1.2V，電流是800mA，那么芯片上消耗的功率就是(3.3-1.2)*0.8=1.68W，這么大的功率消耗，如果在PCB設計的時(shí)候沒(méi)有留下足夠的散熱空間，那么隨著(zhù)系統的運行，LDO芯片就會(huì )越來(lái)越燙。雖然很多LDO的截止溫度能達到125度，但是長(cháng)時(shí)間在高溫下運行，會(huì )嚴重影響系統壽命。

調試階段也難免會(huì )燙傷到自己。為了系統和自身的安全，保證LDO的良好散熱是我們在做PCB的時(shí)候要考慮到的問(wèn)題，又是我們容易忽略的地方。第二個(gè)要考慮的是LDO器件的壓差。以我們常用的1117為例，能做到的最小壓差是1V。那么如果我們要用3.3V降壓到2.5V選擇1117是不合適的。得到的結果只能是2.3V左右，還要和你的電流有關(guān)。

當然現在新出的LDO在壓差方面有了很大的改進(jìn)，最小壓降有些已經(jīng)做到了100mV，能滿(mǎn)足大多數應用的需求。第三個(gè)要考慮的是旁路電容的選擇。LDO芯片的外圍電路就是幾顆旁路電容。這幾顆電容的選擇也要參考器件的Datasheet，一般都會(huì )有容量和型號的推薦。還是以1117為例，各家公司推出的1117雖然功能差不多，但是在輸出旁路電容的選擇上也會(huì )有所區別，有些要求輸出旁路電容采用10UF以上的鉭電容，如果采用電解電容則容量要求更高，有些要求電容的ESR大小在一定范圍，已獲得更好的高頻響應。這些細節是我們在選擇器件的時(shí)候需要認真在datasheet里面找答案的。

DC-DC的應用比LDO要稍微復雜一些，需要注意的地方也更多。我們先來(lái)看看走線(xiàn)對電路尤其是對電源電路的影響。PCB上的走線(xiàn)都會(huì )存在一定的走線(xiàn)電感，根據走線(xiàn)的寬度，厚度，和幾何形狀的不同，走線(xiàn)電感也會(huì )不同。一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗值是1oz的銅厚，30mil的走線(xiàn)寬度，1inch的走線(xiàn)長(cháng)度的走線(xiàn)電感大約為20nH。這個(gè)電感值似乎并不大，但我們來(lái)看看在電源芯片上產(chǎn)生的影響。DC-DC通常都會(huì )應用在大電流的應用場(chǎng)景。我們來(lái)假設一個(gè)2A的應用環(huán)境。DC-DC要能夠保證系統從0A到2A之間電流需求的供應。那么1inch長(cháng)度的走線(xiàn)會(huì )使電壓產(chǎn)生多大的偏移，我們可以帶入下面的計算公式：

V=L*di/dt

　　其中L是走線(xiàn)電感，di是電流變化量，dt是開(kāi)關(guān)轉換速度。DC-DC的開(kāi)關(guān)轉換速度一般可以取值30ns來(lái)計算。帶入公式我們可以得出V=20nH*2A/30ns=1.33V!

通過(guò)計算我們可以看出來(lái)，即使是1inch的走線(xiàn)，由于電源部分的走線(xiàn)的電流很大，一樣會(huì )引起電壓很大的偏移。這樣的偏移嚴重的會(huì )導致電源徹底失效。在上面的這幾個(gè)變量里，電流變化量是系統決定的我們不能改變，開(kāi)關(guān)轉換速度是由電源芯片決定的，雖然有些芯片可以在一定范圍內調整，但是如果轉換速度過(guò)慢，開(kāi)關(guān)損耗又是我們不能不考慮的問(wèn)題，這個(gè)值也不會(huì )帶來(lái)很大改善，那么我們能做的自然就是盡量的減小走線(xiàn)距離了。通過(guò)上面的計算我們還應該看到的就是，電源部分那些電流較大的走線(xiàn)我們需要更加注意，另外一些走線(xiàn)比如使能信號等小信號的走線(xiàn)就可以作為次要考慮。

除了走線(xiàn)的影響以外，過(guò)孔一樣存在一定的寄生電感，那么在大電流的路徑上盡量減少過(guò)孔的使用，當然也不能教條。如果由于不用過(guò)孔導致的繞線(xiàn)距離過(guò)長(cháng)，那就得不償失了?；驹瓌t就是看哪種方式的影響更小。一個(gè)有用的經(jīng)驗值就是50mil板厚內徑為10mil的過(guò)孔寄生電感大約為1nH。另外一個(gè)建議就是如果一定要使用過(guò)孔，多個(gè)過(guò)孔并聯(lián)優(yōu)于單個(gè)過(guò)孔。這個(gè)很容易理解，多個(gè)過(guò)孔并聯(lián)，相當于降低了寄生電感感值。

下面再來(lái)看看DC-DC開(kāi)關(guān)頻率。DC-DC電源的開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的電感體積和感值就越小。但并不是說(shuō)DC-DC的開(kāi)關(guān)頻率越高越好。因為過(guò)高的開(kāi)關(guān)頻率，同樣會(huì )引入開(kāi)關(guān)噪聲，如果系統的敏感頻率恰好在這個(gè)范圍，那么開(kāi)關(guān)頻率和它的諧波就會(huì )對系統產(chǎn)生影響。另外開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì )增加，效率降低。這里我們要弄清楚的是開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)轉換速度的區別。做個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)比，開(kāi)關(guān)頻率就像我們信號的頻率，開(kāi)關(guān)轉換速度就像是信號的上升沿。開(kāi)關(guān)轉換速度越快，就相當于信號的上升沿越陡，其中包含的頻率分量越豐富，引入系統的噪聲越大。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)轉換速度對系統的影響要比開(kāi)關(guān)頻率還要大，更應該引起我們的注意。

下面簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)電容的選擇。在沒(méi)有尺寸和成本限制的情況下多放幾顆/幾種電容，對供電系統來(lái)說(shuō)不是什么壞事。但是更多的設計里面都不會(huì )這么自由，很多消費電子的設計，對每一顆電容的成本都會(huì )斤斤計較。這些時(shí)候我們就需要通過(guò)計算，仿真等手段來(lái)確定系統所需電容的容值和數量。要想得到準確的結果，我們需要清楚系統的工作頻率，電壓波動(dòng)容忍度，電流瞬態(tài)變化量等等，也就是說(shuō)我們要對自己的系統有很深入的理解。對于一些簡(jiǎn)單的系統，如果對電流的需求不是很高，免去復雜的計算，可以在設計的時(shí)候按照幾個(gè)數量級放置幾種不同的電容，一般情況下是能夠正常工作的。

最后再說(shuō)一下電感。電感的選擇在電源芯片的Datasheet里都會(huì )有詳細的介紹，根據開(kāi)關(guān)頻率的不同選擇的感值和封裝都會(huì )有所區別。提一個(gè)容易被忽視的地方。一般的概念里電感是沒(méi)有方向的，電感的兩端是一樣的。實(shí)際上并不是這樣。一般的電感會(huì )有一個(gè)磁芯，電線(xiàn)纏繞在磁芯周?chē)?。那么電線(xiàn)總有一個(gè)起始端一個(gè)結束端。起始端的電線(xiàn)纏繞在磁芯的內側，結束端的電線(xiàn)纏繞在磁芯的外側。那么把電感的起始端連接在DC-DC的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)一端，結束端連接在DC-DC的輸出電壓一端，這樣輸出電壓在物理上可以對開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓有一定的屏蔽作用，降低電源系統的EMI。一般電感的起始端會(huì )有一個(gè)白點(diǎn)作為標注，可以注意一下。

就電源設計來(lái)說(shuō)，充分考慮以上提到的幾個(gè)方面，優(yōu)化器件的布局，讓大電流走線(xiàn)和開(kāi)關(guān)走線(xiàn)盡量短，選擇合適的器件，就能有效的減小電源出錯的可能性。

審核編輯：黃飛

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