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工程师之家:应用电路板的多轨电源设计方案

简介:工程师在不断发展的时代所面临的挑战

电源设计可以分为三个阶段:(A)设计策略和IC选择,(b)原理图设计、仿真和测试,以及(c)器件布局和布线。在(a)设计和(b)仿真阶段投入时间可以证明设计概念的有效性,但真正测试时,需要将所有一切组合在一起,在测试台上测试。在本文中,我们将直接跳到步骤(c),因为目前已有大量资料介绍ADI的模拟和设计电源工具,都可免费下载,例如LTpowerPlanner、LTpowerCad、LTspice和LTpowerPlay。此专题的第一部分主要介绍(a)策略。

此专题分两部分讨论,本文是第二部分,主要介绍在设计多轨电源时可能会忽略的一些问题。第一部分着重介绍策略和拓扑,本文则重点讨论功率预算和电路板布局的细节。由于许多应用电路板需要多个电源轨道,所以这个分两部分介绍的专题详细介绍多电源电路板解决方案。目标是通过合理的器件定位和路由来实现高质量的初始设计,以重点突出一些功率预算和路由技巧。

在电源设计中,精心的布局和布线对于能否实现出色设计至关重要,要为尺寸、精度、效率留出足够空间,以避免在生产中出现问题。我们可以利用多年的测试经验,以及布局工程师具备的专业知识,最终完成电路板生产。

精心的设计的效率

设计从图纸上看起来可能毫无问题(也就是说,从原理图角度),甚至在模拟期间也没有任何问题,但真正的测试其实是在布局、PCB制造,以及通过载入电路实施原型制作应力测试之后。这部分使用真实的设计示例,介绍一些技巧来帮助避开陷阱。我们将介绍几个重要概念,以帮助避开设计缺陷和其他陷阱,以免未来需要重新设计和/或重新制作PCB。图1显示在没有进行细致测试和余量分析的情况下,在设计进入生产之后会如何造成成本急速上涨。

图1.生产的电路板出现问题时,成本可能急速上涨

功率预算

您需要注意在正常情况下按预期运行,但在全速模式或不稳定数据开始出现时(已排除噪声和干扰之后)不能按预期运行的系统。

退出级联阶段时,要避免限流情况。图2所示为一个典型的级联应用:(A) 显示由产生3.3 V电源,电流最大500 mA的ADP5304降压稳压器(PSU1)构成的设计。为了提高效率,设计人员应分接3.3 V电轨,而不是5 V输入电源。3.3 V输出被进一步切断,以为PSU2 (LT1965)供电,这款LDO稳压器用于进一步将电压降低至2.5 V,且按照板载2.5 V电路和IC的要求,将最大输出电流限制在1.1 A。

这种系统存在一些很典型的隐藏问题。它在正常情况下能够正常运行。但是,当系统初始化并开始全速运行时——例如,当微处理器和/或ADC开始高速采样时——问题就出现了。由于没有稳压器能在输出端生成高于输入端的电压,在图2a中,用于为合并电路VOUT1和VOUT2供电的VOUT1最大功率(P = V × I)为3.3 V × 0.5 A = 1.65 W。得出此数值的前提是效率为100%,但是因为供电过程中会出现损耗,所以实际功率要低于该数值。假定2.5 V电源轨道的最大可用功率为2.75 W。如果电路试图获取这么多的功率,但这种要求得不到满足,就会在PSU1开始限流时出现不规律行为。电流可能由于PSU1而开始限流,更糟的是,有些控制器因过流完全关断。

如果图2a是在成功排除故障后实施,则可能需要更高功率的控制器。最理想的情况是使用与引脚兼容、电流更高的器件进行替换;最糟糕的情况下,则需要完全重新设计和制造PCB。如果能在概念设计阶段开始之前考虑功率预算,则可以避免潜在的项目计划延迟(参见图1)。

在考虑这一点的情况下,先创建真实的功率预算,然后选择控制器。包括您所需的所有电源电轨:2.5 V、3.3 V、5 V等。包括所有会消耗每个电轨功率的上拉电阻、离散器件和IC。使用这些值反向工作,以如图2b所示,估算您需要的电源。使用电力树系统设计工具,例如LTpowerPlanner(图3)来轻松创建支持所需的功率预算的电力树。

图2.避开电力树中的限流设计缺陷

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