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高速电路中的LDO电源芯片设计

raymon_tec 发表于 2020-09-15 13:54:49

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高速电路中的电源设计

高速电路中的电源设计大概分为两种,一种是集总式架构,一种是分布式架构。集总式架构就是由一个电源输入,然后生成多种所需要的电压。如图1所示。这种架构会增加多个DC/DC模块,这样成本不可控,PCB面积也需要增加,但集总式分布架构可以提高整体电源转换效率。

图1 集总分布架构

分布式架构是先由一个模块生成一个中间电压,然后再去转换成其他单板所需要的电压,如图2所示。第一级输出可以要求有较大的噪声和纹波,第二级电源输出所需要的各种电源,这时必须考虑纹波和噪声问题。但分布式也有一个问题就是涉及多级转换,可能效率上不如集总式分布架构。

高速电路设计中,建议采用分布式架构。

图2 分布式架构

LDO电源类型

图3是LDO内部结构图。Vout由R1和R2两个电阻进行捕获,然后送往运算放大器A,在V+的电压值与VREF进行比较,差值经过运算放大器放大然后送给晶体管或MOSFET,以实现对Vout的调整,基本上是基于反馈原理,Vin的变化和负载的变化都会对Vout有影响。

LDO电源芯片需要注意的一点就是压差(Dropout),负载电流若是需要越大,其压差应该也越大。

LDO电源芯片还有一个问题就是功耗过大,P = (Vin - Vout)*I,在设计PCB是最好在LDO底部打些过孔,以增加散热。

LDO芯片还应注意一点是接地电流(GND Pin Current)IGND这指的是静态电流,是LDO内部所消耗的电流。

在计算LDO功耗时,P应包括静态功耗和动态功耗,动态功耗PD = (Vin - Vout)*I,静态功耗PS = Vin *IGND(此电流是内部消耗的电流)

图3 LDO内部结构图

在设计电源时,应将电源摆放在一个区域内,对于多层板,其相邻层最好也不要走高速信号线,避免对于LDO芯片的芯片。

LDO电源芯片的滤波建议采用ESR较大的钽电容加ESR较小的陶瓷电容搭配或者单独用ESR较小的陶瓷电容去滤除噪声。不建议用铝电解去代替钽电容,因为铝电解电容的ESR过大,这样会超过LDO对ESR的最大值要求。

DCDC电源类型

DC/DC电源的调制方式有PWM(脉冲宽度调制),PFM(脉冲频率调制),以及PWM和PFM混合。目前市场上面是基于PWM居多。

已降压为目的的DCDC电路称为 BUCK电路,以升压为目的的电路称为BOOST电路,而以反相为目的的DCDC电路称为BUCK-BOOST电路。

DCDC电源纹波噪声

在高端芯片往往对电源的纹波和噪声有一定的要求,纹波一般控制在电源电压的1%之内,噪声控制在电源电压的3%~5%之内。DCDC的纹波和噪声始终是电路设计的难题。

纹波是电源波动成分中的低频成分,一般频率在5MHz之内的频段,产生自MOSFET的开关动作。

噪声指电源波动中的高频成分,一般频率高于5MHz,MOSFET的开关噪声,随机白噪声,以及周围的干扰等。

纹波和噪声的处理方法有两种方式:1)吸收式滤波器,由磁珠与电容的组合电路构成;2)反射式滤波器,由π,T,LC构成的滤波电路,反射式没有从根本上去除噪声,而是将噪声返回给源端。如下图4所示。

图4 LC滤波电路

DCDC电源输出

1)有时候电感会产生啸叫,这可能是通过电感的电流太大导致,改进办法,输入增加上电缓起电路,输出减少电感值。这个缓起电路可以利用RC进行构建。t = 2.2 RC。

2)在DCDC电路中,不应简单关注输出电压部分,还应确保输入电压在上电过程不能太慢,也不能太快。

3)在设计电源时要确定大的电流回路,在此回路上,噪声、纹波、电流都是最大的,需要注意,不能接入其他对上述三者影响较大的信号引脚。

保险丝

1)额定电流是保险管正常工作所能承受的最大电流。保险管选型时不能选的太大,也不能选的太小,太大对电路无保护作用,太小对电路正常工作有影响。保险丝在使用时应该对额定电流降额到75%使用。在选择保险丝的额定电流时,应该先计算整个系统中所需要的最大电流IMAX(满负载荷时),确定之后,选取保险丝的额定电流为 IMAX /75%使用。

2)直流电阻 P = I2 R,如果功耗过大,要考虑散热问题。

3)额定电压是指保险丝熔断时所能承受的最大电压,一般应大于整个系统输入电压。根据UL标准,在选择保险丝的额定电压时,应该降额80%,即若系统正常工作电压为U,则保险丝的额定电压最少要为U / 80%;

4)压降,若芯片要求的电压为U,保险丝的压降为△U,那么电源的输入电压应为U + △U才能满足要去。

5)热能值 I2t指保险丝熔断时所需要的热能。

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