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復(fù)雜電路接地和供電的實(shí)用方法

作者: 時(shí)間:2018-08-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文將從功率傳輸?shù)慕嵌葋?lái)闡述如何優(yōu)化復(fù)雜電路,以便能夠改善信號(hào)完整性,使各個(gè)功能模塊正確來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這里將重點(diǎn)放在理解電路的需求和預(yù)先規(guī)劃最終的系統(tǒng)。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201808/387753.htm

隨著電子產(chǎn)品尺寸變得越來(lái)越緊湊、功能越來(lái)越強(qiáng)大、用途更加廣泛,最終的系統(tǒng)級(jí)要求,以及移動(dòng)和固定設(shè)備的復(fù)雜性也變得日益突出。這種復(fù)雜性來(lái)源于要求在模擬和數(shù)字電路之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線和有線的互連,需要系統(tǒng)工程師使用多個(gè)軌和混合電路設(shè)計(jì)。具有模擬和數(shù)字信號(hào)的電路一般傾向于設(shè)置幾個(gè)參考,這樣經(jīng)常導(dǎo)致電路雜亂無(wú)章,設(shè)計(jì)目的無(wú)法實(shí)現(xiàn),表面上看上去很可靠的方案卻最終成為故障之源。

為了打牢復(fù)雜電路系統(tǒng)堅(jiān)實(shí)的工程化基礎(chǔ),必須要使解決方案主動(dòng)地去按照工程化要求實(shí)施來(lái)優(yōu)化性能和散熱問(wèn)題,同時(shí)減少EMI輻射和信號(hào)的噪聲干擾。本文將從功率傳輸?shù)慕嵌葋?lái)闡述如何優(yōu)化復(fù)雜電路,以便能夠改善信號(hào)完整性,使各個(gè)功能模塊正確接地來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這里將重點(diǎn)放在理解電路的需求和預(yù)先規(guī)劃最終的系統(tǒng),因?yàn)檫@兩個(gè)步驟的結(jié)果是有效地把圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的印刷電路板。在設(shè)計(jì)階段花一些時(shí)間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來(lái)考慮一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊,然后根據(jù)電流總是在一個(gè)循環(huán)回路中流動(dòng)的簡(jiǎn)單公理來(lái)設(shè)置這些模塊及供電電路,這樣當(dāng)今系統(tǒng)工程師所面對(duì)的復(fù)雜電路就可以分解為許多可管理的部分,以便實(shí)現(xiàn)最終的可靠設(shè)計(jì)。

簡(jiǎn)單電路的和接地分析

為了證明該理論,讓我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的電路并考慮所示的連接。該基本電路包括三個(gè)要素,一個(gè)低壓差()線性調(diào)節(jié)器,一個(gè)微處理USB數(shù)據(jù)線接到,和一個(gè)揚(yáng)聲器,所有這些都由一個(gè)連接到某個(gè)計(jì)算主機(jī)的USB插頭供電。在本例中,USB到必須用3.3V供電。由于揚(yáng)聲器采用的輸出供電,所以音頻輸入驅(qū)動(dòng)器需要+3.3V ,其由USB連接器供電(+5V),這似乎可以得到一個(gè)顯而易見(jiàn)的結(jié)論,即可將它們放置在圖1(a)原理圖所示的位置。

但是,在這種框架下,驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作的電流在返回到電流源驅(qū)動(dòng)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓反彈,該電壓反彈會(huì)反過(guò)來(lái)作用于并最終影響到USB連接器。在本例中,把USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音樂(lè)的基準(zhǔn)電壓會(huì)以音樂(lè)播放的速率反彈。由于揚(yáng)聲器電感所產(chǎn)生的相移會(huì)增大誤差,這將和由于電流提升產(chǎn)生的高音量混合在一起。電壓反彈也將導(dǎo)致紋波出現(xiàn),這將降低揚(yáng)聲器發(fā)出的音質(zhì)。

有兩種方法可盡量減少紋波電流的影響。一是通過(guò)在非常接近USB到音頻IC處增加一個(gè)電容(C1),使其接在VLDO節(jié)點(diǎn)到GND引腳之間,這樣一來(lái)該電容器被置于這些節(jié)點(diǎn)的中心位置。減少紋波應(yīng)該針對(duì)所感興趣的頻率,在本例中的情況下,為可聽(tīng)范圍20kHz??梢酝ㄟ^(guò)電容電流等式(1)來(lái)選取電容值以便盡量降低LDO的紋波電流,直至干擾完全去除。

這將減少到達(dá)DC的紋波,之后電流只引起電壓降,并且不會(huì)隨時(shí)間而變化很多(上面等式中的Δt應(yīng)該被視為可聽(tīng)頻率12~14kHz的平均值)。通過(guò)在各IC之間使用較寬的電源和GND連接來(lái)限制由歐姆定律所得到的電壓降值(電流與電阻的乘積),可控制誤差的大小。

圖1:一個(gè)簡(jiǎn)單的電路表明電源電路會(huì)引起反彈,而且會(huì)返回電源。

GND和電源線的寬度應(yīng)當(dāng)根據(jù)可接受的損耗來(lái)確定。對(duì)于典型的1盎司銅印刷電路板,其電阻可以估算大約為每平方0.5mΩ。由于此問(wèn)題不能總是通過(guò)添加電容去緩解,而應(yīng)該采用Figure 1(b)中的方案來(lái)從根本上解決。LDO是放在音頻驅(qū)動(dòng)IC的上方,可以使立體聲電流回路避免了敏感的音頻驅(qū)動(dòng)GND,這樣產(chǎn)生的GND電壓反彈不會(huì)影響音頻驅(qū)動(dòng),只有小的紋波干擾出現(xiàn)。

復(fù)雜電路的電源和接地優(yōu)化策略

在上面的應(yīng)用案例中,只有兩個(gè)電流回路?,F(xiàn)在,我們換一個(gè)更復(fù)雜的例子。下面考慮的是一個(gè)較為復(fù)雜的平板電腦系統(tǒng)。在本例中,平板電腦包括背光、觸屏、攝像頭、充電系統(tǒng)(USB和無(wú)線)、藍(lán)牙、WiFi、音頻輸出(揚(yáng)聲器,耳機(jī))、以及用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。當(dāng)然,這些應(yīng)用的大部分都需要不同電壓的電源軌以便更好地工作。

如圖2所示,該系統(tǒng)具有五個(gè)電源軌和兩種給電池充電的方法,這意味著至少會(huì)有五個(gè)電流回路。但相比直流電源,以及相關(guān)的各條電流路徑,實(shí)際應(yīng)用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,廣播和接收天線系統(tǒng),所有這些都需要使用微處理器來(lái)協(xié)調(diào)和控制。展示的與電源和它們供電的模塊相關(guān)聯(lián)的電源路徑和GND路徑,有助于將電源和負(fù)載電流評(píng)估進(jìn)行匯總,從而實(shí)現(xiàn)以下目的:


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評(píng)論


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