你会进行电源设计吗？经验之人的经验之谈

作者：winthony

电源是一个系统的基础，一个良好的电源设计是系统稳定运行的前提。在实际项目中，用到最多的电源结构应该就是外接适配器提供一个DC输入，电压可以是5V，9V，12V等等。然后在我们的PCB设计中通过各种不同的DC-DC或者LDO芯片来转换出我们系统需要的各路电源。因此，我们接触最多的应该就是DC-DC和LDO电源电路的设计。下面简单提一些容易忽略的细节，稍作改善，就能让我们的电源设计更合理，提升电源部分的性能，使系统更稳定。

　　说到电源，先要说的就是DC-DC和LDO两种电源芯片的选择。两种电源的优缺点都非常明显。DC-DC最大的优点就是效率高，可以输出大电流，电源效率普遍能够做到百分之九十左右，有些甚至可以达到九十五以上。缺点也比较明显，需要用到的外围器件多，所占PCB面积大，成本高，由于开关的存在滤波控制不好的话会给系统引入噪声等等。LDO则正好相反，外围器件简单，占用面积小，成本低，没有开关，输出电源的线性度更好，但是效率取决于输入和输出电压的压差，压差大效率就低。通过比较我们可以大致做出电源的选择。如果电源压差较小，或者电流较小，使用LDO是个不错的选择。如果压差较大，或者电流较大，那么一般会推荐使用DC-DC。

　　LDO电源设计简单，成本低，外围电路一般只需要几颗旁路电容就够了。虽然设计简单，但还是有些具体的地方需要注意。第一个要考虑的就是散热。由于LDO的特性决定，压差部分的功耗是要通过芯片本身的散热释放出去的。如果压差和电流较大，那么器件上消耗的功耗就会比较大，散热我们就不能不考虑。举例说明，如果我们用3.3V通过LDO降压到1.2V，电流是800mA，那么芯片上消耗的功率就是(3.3-1.2)*0.8=1.68W，这么大的功率消耗，如果在PCB设计的时候没有留下足够的散热空间，那么随着系统的运行，LDO芯片就会越来越烫。虽然很多LDO的截止温度能达到125度，但是长时间在高温下运行，会严重影响系统寿命。调试阶段也难免会烫伤到自己。为了系统和自身的安全，保证LDO的良好散热是我们在做PCB的时候要考虑到的问题，又是我们容易忽略的地方。第二个要考虑的是LDO器件的压差。以我们常用的1117为例，能做到的最小压差是1V。那么如果我们要用3.3V降压到2.5V选择1117是不合适的。得到的结果只能是2.3V左右，还要和你的电流有关。当然现在新出的LDO在压差方面有了很大的改进，最小压降有些已经做到了100mV，能满足大多数应用的需求。第三个要考虑的是旁路电容的选择。LDO芯片的外围电路就是几颗旁路电容。这几颗电容的选择也要参考器件的Datasheet，一般都会有容量和型号的推荐。还是以1117为例，各家公司推出的1117虽然功能差不多，但是在输出旁路电容的选择上也会有所区别，有些要求输出旁路电容采用10UF以上的钽电容，如果采用电解电容则容量要求更高，有些要求电容的ESR大小在一定范围，已获得更好的高频响应。这些细节是我们在选择器件的时候需要认真在datasheet里面找答案的。

　　DC-DC的应用比LDO要稍微复杂一些，需要注意的地方也更多。我们先来看看走线对电路尤其是对电源电路的影响。PCB上的走线都会存在一定的走线电感，根据走线的宽度，厚度，和几何形状的不同，走线电感也会不同。一个简单的经验值是1oz的铜厚，30mil的走线宽度，1inch的走线长度的走线电感大约为20nH。这个电感值似乎并不大，但我们来看看在电源芯片上产生的影响。DC-DC通常都会应用在大电流的应用场景。我们来假设一个2A的应用环境。DC-DC要能够保证系统从0A到2A之间电流需求的供应。那么1inch长度的走线会使电压产生多大的偏移，我们可以带入下面的计算公式：

　　V=L*di/dt

　　其中L是走线电感，di是电流变化量，dt是开关转换速度。DC-DC的开关转换速度一般可以取值30ns来计算。带入公式我们可以得出V=20nH*2A/30ns=1.33V!

　　通过计算我们可以看出来，即使是1inch的走线，由于电源部分的走线的电流很大，一样会引起电压很大的偏移。这样的偏移严重的会导致电源彻底失效。在上面的这几个变量里，电流变化量是系统决定的我们不能改变，开关转换速度是由电源芯片决定的，虽然有些芯片可以在一定范围内调整，但是如果转换速度过慢，开关损耗又是我们不能不考虑的问题，这个值也不会带来很大改善，那么我们能做的自然就是尽量的减小走线距离了。通过上面的计算我们还应该看到的就是，电源部分那些电流较大的走线我们需要更加注意，另外一些走线比如使能信号等小信号的走线就可以作为次要考虑。除了走线的影响以外，过孔一样存在一定的寄生电感，那么在大电流的路径上尽量减少过孔的使用，当然也不能教条。如果由于不用过孔导致的绕线距离过长，那就得不偿失了。基本原则就是看哪种方式的影响更小。一个有用的经验值就是50mil板厚内径为10mil的过孔寄生电感大约为1nH。另外一个建议就是如果一定要使用过孔，多个过孔并联优于单个过孔。这个很容易理解，多个过孔并联，相当于降低了寄生电感感值。

　　下面再来看看DC-DC开关频率。DC-DC电源的开关频率越高，所需要的电感体积和感值就越小。但并不是说DC-DC的开关频率越高越好。因为过高的开关频率，同样会引入开关噪声，如果系统的敏感频率恰好在这个范围，那么开关频率和它的谐波就会对系统产生影响。另外开关频率过高，开关损耗也会增加，效率降低。这里我们要弄清楚的是开关频率和开关转换速度的区别。做个简单的类比，开关频率就像我们信号的频率，开关转换速度就像是信号的上升沿。开关转换速度越快，就相当于信号的上升沿越陡，其中包含的频率分量越丰富，引入系统的噪声越大。一般来说，开关转换速度对系统的影响要比开关频率还要大，更应该引起我们的注意。

　　下面简单说说电容的选择。在没有尺寸和成本限制的情况下多放几颗/几种电容，对供电系统来说不是什么坏事。但是更多的设计里面都不会这么自由，很多消费电子的设计，对每一颗电容的成本都会斤斤计较。这些时候我们就需要通过计算，仿真等手段来确定系统所需电容的容值和数量。要想得到准确的结果，我们需要清楚系统的工作频率，电压波动容忍度，电流瞬态变化量等等，也就是说我们要对自己的系统有很深入的理解。对于一些简单的系统，如果对电流的需求不是很高，免去复杂的计算，可以在设计的时候按照几个数量级放置几种不同的电容，一般情况下是能够正常工作的。

　　最后再说一下电感。电感的选择在电源芯片的Datasheet里都会有详细的介绍，根据开关频率的不同选择的感值和封装都会有所区别。提一个容易被忽视的地方。一般的概念里电感是没有方向的，电感的两端是一样的。实际上并不是这样。一般的电感会有一个磁芯，电线缠绕在磁芯周围。那么电线总有一个起始端一个结束端。起始端的电线缠绕在磁芯的内侧，结束端的电线缠绕在磁芯的外侧。那么把电感的起始端连接在DC-DC的开关节点一端，结束端连接在DC-DC的输出电压一端，这样输出电压在物理上可以对开关节点电压有一定的屏蔽作用，降低电源系统的EMI。一般电感的起始端会有一个白点作为标注，可以注意一下。

　　就电源设计来说，充分考虑以上提到的几个方面，优化器件的布局，让大电流走线和开关走线尽量短，选择合适的器件，就能有效的减小电源出错的可能性。