低功耗低噪声电源设计感想.docx

低功耗低噪声电源设计感想低功耗低嗪声电建设计感想在做硬件系统设计时,需要选择正确的电源供电芯片,无论是设计消费数码电子还是无线传感设备,需要杈衡好比显的各个功能需求.在对噪声抑制、耗电量、压降、和电源电压皿等指标做出评估和划定优先级后，才可以进行电源I1.的选择。每个信号路径需要“干净”的电源。小遨萱理是系统设计的最后部分。图1显示了如何为信号路径供电的实例系统。本人目前设计一个需要超低功耗的无线产品，一个3AH的电池要能工作5-6年，这个需要要个地信机制需要有省电的功能，也需鬟产品本身需要有超低功耗的能力，一个无线产品需要具有超低功耗需要从产品的几个构成部分来分析：1）电源部分2） RE部分3） CPU部分4）其他部分这里结合我的工作做对电源部分的分析，选择电源芯片原则:I）选择工艺成熟，产品质量好，性价比好的厂家产品2）选择工作频率高的产品，降低周围器件，降低成本。3）用封装小的，但要考虑输出电流的大小，一般都是小封装小电流，大封装大电流4）选择技术支持好的厂家，特别是小公司选择电源器件时要注意，小公司别人不理睬你！5）选择资料齐全的,破好有中文的，样品可以申请的，最好有免费的，供资周期短的，最好不要老停产以上是从大的层面来做分析，包括设计和采购等方面来考虑。从技术要求的层面来分析,一、1.DO器件选舞，1.1.)O选择4个要素：压差、噪声、解态电流、共模抑制比。仅仅从省电来说，主要看静态电流，有的1.Do静态电流很小，1UA左右，就是1)0工作时，自身的耗电，这个参数在省电中很关键，越小肯定越好，但不可能为0,1.Do的耗电有两个指标：一个为静态电流，一个为SE1.oFF电流，要区分哦！还有压差，这个好理解，压差为0就是很理想的UX)。我现在用的是ST206系列，日本的，用日货，没有办法，S0T23,路过的朋友介绍一个国货给我，质量要好的，还有RI180X系列，好像也是日本的。以上都是5ua以卜的IQ值。但是做RF的U)0,就需要考虑：噪声抑制了，因为而这玩意对噪声的敏感度太高了。电源抑制比PSRR(Powersupp1.yripp1.erejectionratio)是反映输出和输入频率相同的条件卜，1.DO输出对输入纹波抑制能力的交流参数。和噪声(NoiSe)不同,噪声通常是指在IoHZ至100kHZ频率范用内，1.DO在定输入电压下其输出电压噪声的均方值电些)，PSRR的单位是dB,公式如下：PSRM201.og(vinvout)电源影响信号路径性能并不意外的是,电源影响她信号完整性,这最终会影响整体的系统性能。提高信号路径性能的一种简单方法是选择正确的电源在选择电源时,影响模拟信号路径性能的一个关键参数是电源线上的噪声或纹波。电源线上的噪声或纹波可以耦上到运徵放大器的输出中,增加锁相环(P1.1.)或压控振荡器(VCo)的抖动,或并降低维的SNR,低噪声和低纹波的电源还能改善信号路径性能。电源线上的噪声或纹波的来源具有多样性。在系统内的高速数据和惭频信号本身会产生噪声,理的印制线和连接线如果设计不当，可以形成发射太线的效应.数字IC,例如微控制罂和现场可编程门阵列(FpGA)以及亚杂可编程逻辑器件(CP1.D)具有很快的边沿跳变速度.电流的大小变化很大,将产生电磁干扰辐射到系统中。IC硅片在内部产生热噪声,这是由于在温度高于绝对0摄氏度时分子的随机运动和碰撞产牛的。有三种常用的方法来使信号路径中的噪声和纹波最小：非常仔细的系统PCB布局、恰当的电源旁路处理以及正踊的电源选择。尽管PCB的具体设计取决于系统,但就般而言,PCB的布局需要考虑包括正确的器件布局、使信号路径连接线的长度最小以及采用实体的地等.对电源轨进行旁路处理是一种常用的方法,这种方法通常在模拟IC产品手册中被迫也用于滤出噪声。信号路径IC可以具有分离的模拟、数字和P1.1.电源输入,建议每个采用自己独立的旁路处理。P1.1.电源和模拟电源对噪声和纹波最敏感。旁路电容、阻容(RC)邈邀以及EM【抑制波波器使进入信号路径的电源噪声地小化。正确的电源选择可以降低对信号路径IC的噪声和纹波影响.在选择一种电源时,设计师首先在开关变换器和线性零压器之间作一个战本选择。开关转换器提供较高的频率,更高的领率意味着较低的整体系统功耗。线性稳压器提供一种易于使用的解决方案，同时降低电源轨的噪声/触波。使用线性桎压器降低噪声和纹波可以改善信号路径性能。亳无疑问，在便携式无线产品里，即需要自身工作耗电电流小的，又需要PSRR大的1.D0,但是目前市面上的1.Do产品，能兼顾到这两个指标的产品很少,本人找到一个S1167的1.DO,工作自身耗电为9UA,PSRR为70dB,应该说是比较兼顾这两个指标的，但是是日本货。单单是考虑到PSRR,而IQ在45左右都无所谓的话，用AS1361是不错的，PSRK可到90dB以上。二、DCHXJ电源选舞对于I)C-DC来说，主要考虑转换的效率，纹波,输入输出电压等.在选择DCzDC交换器时，电路设计要注意出电流、高效率、小型化，出电压要求I1 .如需求的输出电流较小,可选择FET内置型：输出电流需要较大时.，选择外接FET类型。2 .关于效率有以下考虑：如果需优先考虑重负荷时的纹波电用及消除噪音，可选择PWM控制型：如果同时亦需重视低负荷时的效率，则可选择PFWPWM切换控制型。3 .如要求小型化，则可选择能使用小型线圈的高频产品。4 .在输出电压方面，如果输出电压需要达到固定电用以上，或需要不固定的输出电压时，刚可选择输出可变的YDD八,OUT分离型产品。DCT)C工作方式PFM与PW比较：PfM控制、PF1.i控制和PWMZPF1.i切换控制模式这三种控制方式各有各的优点与缺点：DC/DC变换器是通过与内部物i率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定电压相同的箱出电压.PI；M控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。但如果输出电压卜降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。PWM控制也是与频率同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽出减少流入线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。与PWM相比，PFM的输出电流小，但是因PFM控制的DCI)C变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。因此，消耗电潦的减少可改进低负荷时的效率。PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声波波器设计比较容易，消除噪声也较简单。若需同时具备PFM与PWM的优点的话，可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换蹲。此功能是在重负荷时由PWM控制，低负荷时自动切换到PFM控制,即在-款产品中同时具备刖!的优点与PFM的优点.在备有待机模式的系统中,采用PIWRWM切换控制的产品能得到较育效率。高演的优点，通过实际测试PWM与PFM/PWM的效率，可以发现PWWPFM切换的产晶在低负荷时的效率较育.至于高频方面，通过提而DC/DC变换器的频率，可以实现大电流化、小型化和高效率化。但是，必须注意的是只有通过线圈的特性配合才可以提高效率。因为当DC/DC变换那高频化后，由于开关次数随之熠加的原因，开关损失也会增大，从而导致效率会有所降低。因此，效率是由线圈性能提升与开关损失增加两方面折史决定的.通过使用高效率的产品，相对可使用较低电感值的线图，可以使用小型线圈，即使使用的是小型线圈也可得到相同的效率及输出电流。外接器件选舞：除了需要关注DC/DC变换器本身的特性外，外接组件的选择也不能忽视。外接组件中的线圈、电容中和FET对丁开关电源特性有若很大影响.这里所谓的特性是指输出电潦、输出纹波电压及效率。线圈：如果需要追求高效率，的好选择直流曳阻和电感值较小的线图.但是，如果电感值较小的线圈用于频率较低的DC/DC,就会超过线圈的额定电流，线圈会产生磁饱和现象，引起效率恶化或损坏线网。而且如果电感值太小，也会引起纹波电压变大。所以在选择线圈时，请注意流向线圈的电流不要超过线圈的额定电流。在选择线圈时，需要根据输出电潦、DC/DC的频率、线圈的电感值、线圈的额定电潦和纹波电压等条件综合决定。电容：输出电容的容量越大，纹波电压就越小。但是较大的容量也意味者较大的电容体积，所以请选择最适合的容量。三极管：作为外接的三极管，与双极晶体管相比,因FET的开关速度比较快，所以开关损耗会较小，效率会更高一些。DC-DC基本原理：I）C-DC电源是一种比较新型的电源.它具有效率虑，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的垃!更理。如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或广场效应管），续流二极管D,储能电感1.,滤波电容C等构成.当开关闭合时，电源通过开关K、电感1.给负数供电，并将部分电能储存在电感1.以及电容C中。由于电感1.的自感,在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感1.的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续潦二极管D的正极,经过二极管D,返I可电感1.的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM-脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过捡邈输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。在开关闭合期间，电感存储能量;在开关断开期间，电感释放能量，所以电感1.叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负货给电感1.提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管.在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替,当开关断开时，电流很小：当开关闭合时，电压很小，所以发热功率UX1.就会很小。这就是开关电源效率商的原因。升压式DC/DC交换器原理：升压式DC/DC变换器主要用于输出电流较小的场合，只要采用广2节电池便可获得3、I2Y工作电压，工作电流可达几十圣安至几百皂安，其转换效率可达70V80升压式DC/DC变换器的基本工作原理如图所示.电路中的YT为开关管,当脉冲振荡器对双稳态电路置位(即Q端为1)时,VT导通，电感YT中流过电流并储存能量，直到电感电流在RS上的压降等于比较器设定的闽值电压时,双稳态电路复位，即Q端为0。此时VT截止，电感1.T中储存的能量通过一极管YD1.供给负载，同时对C进行充电。当负载电压要跌落时，电容C放电，这时输出端可获得高于输大端的稳定电压。输出的电压由分压器RI和R2分压后输入误差放大器,并与基准电压起去控制脉冲宽度，由此而获得所需要的电压，即式中:造基准电压。DC-DC电路PCB设计嘤求:在设计印刷线路板时，设计工程师都会仔细思写铜线的走线方式和兀整1.的放理问题。如果没有充分考虑这两点，印刷线路板的效率、最大输出电潦、输出纹波及其它特性都将会受到影响，产生这些影响的两个主要原因则是地线(GND,VSS)和电源线(+B、VCC.VDD)的连接，如果地线及电源线设计合理，电路将掂正常地工作，获得较好的性能指标，否则会产生.干扰、性能指标恶化等问题。本文就DC/DC转换器的设计，介绍些通用的设计原则和地线连接方法。图1：基于基本设计原则的布线模式。图2：升压电路的PCB设计示例。图3：降压电力的P的设计示例.设计原则印制线走线方式和元器件的放置常常会影响电路的性能。以下提出了接地线设计的四个原则：1 .用平面布线方式(PIanarPa1.£rn)接地：2 .用平面布线方式接