硬件電路設(shè)計規(guī)范：非常好的硬件設(shè)計參考

2017-06-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

硬件電路設(shè)計流程系列--方案設(shè)計 (目錄)

一、硬件電路設(shè)計流程系列--硬件電路設(shè)計規(guī)范
二、硬件電路設(shè)計流程系列--方案設(shè)計(1) :主芯片選型
三、硬件電路設(shè)計流程系列--方案設(shè)計(2) :芯片選購
四、硬件電路設(shè)計流程系列--方案設(shè)計(3) :功耗分析與電源設(shè)計
五、硬件電路設(shè)計流程系列--方案設(shè)計(4):設(shè)計一個合適的系統(tǒng)電源

1、 詳細理解設(shè)計需求,從需求中整理出電路功能模塊和性能指標(biāo)要求;

2、 根據(jù)功能和性能需求制定總體設(shè)計方案,對 CPU 進行選型,

CPU 選型有以下幾點要求:
a) 性價比高;
b) 容易開發(fā):體現(xiàn)在硬件調(diào)試工具種類多,參考設(shè)計多,軟件資源豐富,成功案例多;
c) 可擴展性好;

3、 針對已經(jīng)選定的 CPU 芯片,選擇一個與我們需求比較接近的成功參考設(shè)計,一般 CPU 生產(chǎn)商或他們的合作方都會對每款 CPU芯片做若干開發(fā)板進行驗證,比如 440EP 就有 yosemite 開發(fā)板和bamboo 開發(fā)板,我們參考得是 yosemite 開發(fā)板,廠家最后公開給用戶的參考設(shè)計圖雖說不是產(chǎn)品級的東西,也應(yīng)該是經(jīng)過嚴格驗證的,否則也會影響到他們的芯片推廣應(yīng)用,縱然參考設(shè)計的外圍電路有可推敲的地方,CPU 本身的管腳連接使用方法也絕對是值得我們信賴的,當(dāng)然如果萬一出現(xiàn)多個參考設(shè)計某些管腳連接方式不同,可以細讀 CPU 芯片手冊和勘誤表,或者找廠商確認;另外在設(shè)計之前,最好我們能外借或者購買一塊選定的參考板進行軟件驗證,如果沒問題那么硬件參考設(shè)計也是可以信賴的;但要注意一點,現(xiàn)在很多 CPU都有若干種啟動模式,我們要選一種最適合的啟動模式,或者做成兼容設(shè)計。

4、 根據(jù)需求對外設(shè)功能模塊進行元器件選型,元器件選型應(yīng)該遵守以下原則:

a) 普遍性原則:所選的元器件要被廣泛使用驗證過的盡量少使用冷偏芯片,減少風(fēng)險;
b) 高性價比原則:在功能、性能、使用率都相近的情況下,盡量選擇價格比較好的元器件,減少成本;
c) 采購方便原則:盡量選擇容易買到,供貨周期短的元器件;
d) 持續(xù)發(fā)展原則:盡量選擇在可預(yù)見的時間內(nèi)不會停產(chǎn)的元器件;
e) 可替代原則:盡量選擇 pin to pin 兼容種類比較多的元器件;
f) 向上兼容原則:盡量選擇以前老產(chǎn)品用過的元器件;
g) 資源節(jié)約原則:盡量用上元器件的全部功能和管腳;

5、 對選定的 CPU 參考設(shè)計原理圖外圍電路進行修改,修改時對于每個功能模塊都要找至少 3 個相同外圍芯片的成功參考設(shè)計,如果找到的參考設(shè)計連接方法都是完全一樣的,那么基本可以放心參照設(shè)計,但即使只有一個參考設(shè)計與其他的不一樣,也不能簡單地少數(shù)服從多數(shù),而是要細讀芯片數(shù)據(jù)手冊,深入理解那些管腳含義,多方討論,聯(lián)系芯片廠技術(shù)支持,最終確定科學(xué)、正確的連接方式,如果仍有疑義,可以做兼容設(shè)計;這是整個原理圖設(shè)計過程中最關(guān)鍵的部分,我們必須做到以下幾點:

a) 對于每個功能模塊要盡量找到更多的成功參考設(shè)計,越難的應(yīng)該越多,成功參考設(shè)計是“前人”的經(jīng)驗和財富,我們理當(dāng)借鑒吸收,站在“前人”的肩膀上,也就提高了自己的起點;
b) 要多向權(quán)威請教、學(xué)習(xí),但不能迷信權(quán)威,因為人人都有認知誤差,很難保證對哪怕是最了解的事物總能做出最科學(xué)的理解和判斷,開發(fā)人員一定要在廣泛調(diào)查、學(xué)習(xí)和討論的基礎(chǔ)上做出最科學(xué)正確的決定;
c) 如果是參考已有的老產(chǎn)品設(shè)計,設(shè)計中要留意老產(chǎn)品有哪些遺留問題,這些遺留問題與硬件哪些功能模塊相關(guān),在設(shè)計這些相關(guān)模塊時要更加注意推敲,不能機械照抄原來設(shè)計,比如我們老產(chǎn)品中的 IDE 經(jīng)常出問題,經(jīng)過仔細斟酌,廣泛討論和參考其他成功設(shè)計,發(fā)現(xiàn)我們的 IDE 接口有兩個管腳連線方式確實不規(guī)范;還有,針對FGPI 通道丟視頻同步信號的問題,可以在硬件設(shè)計中引出硬件同步信號管腳,以便進一步驗證,更好發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì);

6、 硬件原理圖設(shè)計還應(yīng)該遵守一些基本原則,這些基本原則要貫徹到整個設(shè)計過程,雖然成功的參考設(shè)計中也體現(xiàn)了這些原則,但因為我們可能是“拼”出來的原理圖,所以我們還是要隨時根據(jù)這些原則來設(shè)計審查我們的原理圖,這些原則包括:

a) 數(shù)字電源和模擬電源分割;
b) 數(shù)字地和模擬地分割,單點接地,數(shù)字地可以直接接機殼地(大地),機殼必須接大地;
c) 保證系統(tǒng)各模塊資源不能沖突,例如:同一 I2C 總線上的設(shè)備地址不能相同,等等;
d) 閱讀系統(tǒng)中所有芯片的手冊(一般是設(shè)計參考手冊),看它們的未用輸入管腳是否需要做外部處理,如果需要一定要做相應(yīng)處理,否則可能引起芯片內(nèi)部振蕩,導(dǎo)致芯片不能正常工作;
e) 在不增加硬件設(shè)計難度的情況下盡量保證軟件開發(fā)方便,或者以小的硬件設(shè)計難度來換取更多方便、可靠、高效的軟件設(shè)計,這點需要硬件設(shè)計人員懂得底層軟件開發(fā)調(diào)試,要求較高;
f) 功耗問題;

g) 產(chǎn)品散熱問題,可以在功耗和發(fā)熱較大的芯片增加散熱片或風(fēng)扇,產(chǎn)品機箱也要考慮這個問題,不能把機箱做成保溫盒,電路板對“溫室”是感冒的;還要考慮產(chǎn)品的安放位置,最好是放在空間比較大,空氣流動暢通的位置,有利于熱量散發(fā)出去;

7、 硬件原理圖設(shè)計完成之后,設(shè)計人員應(yīng)該按照以上步驟和要求首先進行自審,自審后要達到有 95%以上把握和信心,然后再提交他人審核,其他審核人員同樣按照以上要求對原理圖進行嚴格審查,如發(fā)現(xiàn)問題要及時進行討論分析,分析解決過程同樣遵循以上原則、步驟;

8、 只要開發(fā)和審核人員都能夠嚴格按以上要求進行電路設(shè)計和審查,我們就有理由相信,所有硬件開發(fā)人員設(shè)計出的電路板一版成功率都會很高的,所以提出以下幾點:

a) 設(shè)計人員自身應(yīng)該保證原理圖的正確性和可靠性,要做到設(shè)計即是審核,嚴格自審,不要把希望寄托在審核人員身上,設(shè)計出現(xiàn)的任何問題應(yīng)由設(shè)計人員自己承擔(dān),其他審核人員不負連帶責(zé)任;
b) 其他審核人員雖然不承擔(dān)連帶責(zé)任,也應(yīng)該按照以上要求進行嚴格審查,一旦設(shè)計出現(xiàn)問題,同樣反映了審核人員的水平、作風(fēng)和態(tài)度;
c) 普通原理圖設(shè)計,包括老產(chǎn)品升級修改,原則上要求原理圖一版成功,最多兩版封板,超過兩版將進行績效處罰;

d) 對于功能復(fù)雜,疑點較多的全新設(shè)計,原則上要求原理圖兩版內(nèi)成功,最多三版封板,超過三版要進行績效處罰;
e)原理圖封板標(biāo)準為:電路板沒有任何原理性飛線和其他處理點;

9、 以上提到原理圖設(shè)計相關(guān)的獎勵和處罰具體辦法將在廣泛調(diào)查研究之后制定,征得公司領(lǐng)導(dǎo)同意后發(fā)布實施;

10、 制定此《規(guī)范》的目的和出發(fā)點是為了培養(yǎng)硬件開發(fā)人員嚴謹、務(wù)實的工作作風(fēng)和嚴肅、認真的工作態(tài)度,增強他們的責(zé)任感和使命感,提高工作效率和開發(fā)成功率,保證產(chǎn)品質(zhì)量;希望年輕的硬件開發(fā)人員能在磨練中迅速成長起來!

對于我們目前重點設(shè)計的相關(guān)模擬電路產(chǎn)品,沒有主用芯片、外圍芯片以及芯片與芯片之間的連接方面的問題。所以,元器件的選項尤為重要,對于硬件設(shè)計的一些基本原則一定要注意。

平臺的選擇很多時候和系統(tǒng)選擇的算法是相關(guān)的,所以如果要提高架構(gòu),平臺的設(shè)計能力,得不斷提高自身的算法設(shè)計,復(fù)雜度評估能力,帶寬分析能力。

常用的主處理器芯片有:單片機,ASIC,RISC(DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC 和 SuperH ),DSP 和 FPGA 等,這些處理器的比較在網(wǎng)上有很多的文章,在這里不老生常談了,這里只提 1 個典型的主處理器選型案例。

比如市場上現(xiàn)在有很多高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(HD-IPNC)的設(shè)計需求,而 IPNC 的解決方案也層出不窮,TI 的解決方案有 DM355、DM365、DM368 等,海思提供的方案則有 Hi3512、Hi3515、Hi3520 等,NXP提供的方案有 PNX1700、PNX1005 等。

對于 HD-IPNC 的主處理芯片,有幾個主要的技術(shù)指標(biāo):視頻分辨率,視頻編碼器算法,最高支持的圖像抓拍分辨率,CMOS 的圖像預(yù)處理能力,以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)平臺。

Hi3512 單芯片實現(xiàn) 720P30 H.264 編解碼能力,滿足高清 IP Camera應(yīng)用, Hi3515 可實現(xiàn) 1080P30 的編解碼能力,持續(xù)提升高清 IPCamera 的性能。

DM355 單芯片實現(xiàn) 720P30 MPEG4 編解碼能力,DM365 單芯片實現(xiàn) 720P30 H.264 編解碼能力, DM368 單芯片實現(xiàn) 1080P30 H.264編解碼能力。

DM355 是 2007 Q3 推出的,DM365 是 2009 Q1 推出的,DM368是 2010 Q2 推出的。海思的同檔次解決方案也基本上與之同時出現(xiàn)。海思和 TI 的解決方案都是基于 linux,對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)而言,開源社區(qū)的資源是沒有區(qū)別的,區(qū)別的只在于芯片供應(yīng)商提供的SDK 開發(fā)包,兩家公司的 SDK 離產(chǎn)品都有一定的距離,但是 linux的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)并不是一個技術(shù)難點,所以并不影響產(chǎn)品的推廣。

作為 IPNC 的解決方案,在 720P 時代,海思的解決方案相對于 TI的解決方案,其優(yōu)勢是支持了 H.264 編解碼算法,而 TI 只支持了MPEG4 的編解碼算法。雖然在 2008 年初,MPEG4 的劣勢在市場上已經(jīng)開始體現(xiàn)出來,但在當(dāng)時這似乎并不影響 DM355 的推廣。

對于最高支持的圖像抓拍分辨率,海思的解決方案可以支持支持JPEG 抓拍 3M Pixels@5fps,DM355 最高可以支持 5M Pixels,雖然當(dāng)時沒有成功的開發(fā)成 5M Pixel 的抓拍(內(nèi)存分配得有點兒問題,后來就不折騰了),但是至少 4M Pixel 的抓拍是實現(xiàn)了的,而且有幾個朋友已經(jīng)實現(xiàn)了 2560x1920 這個接近 5M Pixel 的抓拍,所以在這一點上 DM355 稍微勝出。

因為在高清分辨率下,CCD 傳感器非常昂貴,而 CMOS 傳感器像原尺寸又做不大,導(dǎo)致本身在低照度下就性能欠佳的 CMOS 傳感器的成像質(zhì)量在高分辨率時變差,于是 TI 在 DM355 處理器內(nèi)部集成了一個叫做 ISP 的圖像預(yù)處理模塊,它由 CCDC,IPIPE,IPIPEIF 和 H3A模塊組成,能幫助實現(xiàn)把 CMOS 的 RAW DATA(一般是指 Bayer格式數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)成 YCbCr 數(shù)據(jù),同時實現(xiàn)包括白平衡調(diào)節(jié),直方圖統(tǒng)計,自動曝光,自動聚焦等采用 CMOS 解決方案所必須的功能,故DM355 處理器就可以無縫的對接各種圖像傳感器了。而海思的解決方案對于 CMOS 的選擇就有局限性,它只能用 OVT 一些解決方案,因為 OVT 的部分 Sensor 集成了圖像預(yù)處理功能。但是 DM355 不僅可以接 OVT 的解決方案,還可接很多其他廠家的 CMOS sensor,比如 Aptina 的 MT9P031。所以在圖像預(yù)處理能力方面,DM355 繼續(xù)勝出。

在 IPNC 這個領(lǐng)域,只要每臺掙 1 個美金就可以開始跑量,所以在那個時代,很少有人會去死摳 H.264 和 MPEG4 的性能差異,而且 TI已經(jīng)給了市場一個很好的預(yù)期,支持 H.264 的 DM365 很快就會面世。所以 IPNC 這個方案而言,當(dāng)時很多企業(yè)都選擇了 DM355 的方案。有些朋友現(xiàn)在已經(jīng)從 DM355 成功過渡到 DM365、DM368,雖然你有時候會罵 TI,為什么技術(shù)不搞得厲害點,在當(dāng)年就一步到位,浪費了多少生產(chǎn)力。但是技術(shù)就是一點一點積累起來,對于個人來不得半點含糊,對于大企業(yè),他們也無法大躍進。DM355 的 CMOS 預(yù)處理技術(shù)也有很多 Bug,SDK 也有很多 bug,有時會讓你又愛又恨,但是技術(shù)這東西總是沒有十全十美的,能在特定的歷史條件下,滿足市場需求,那就是個好東西。

當(dāng)然海思的解決方案在 DVS、DVR 方面也大放異彩,一點也不遜色于 TI 的解決方案。

其它芯片的選型則可以參考各芯片廠商官方網(wǎng)站的芯片手冊,進行PK,目前大部分芯片廠商的芯片手冊都是免 NDA 下載的,如果涉及到 NDA 問題,那就得看個人和公司的資源運作能力了,一般找一下國內(nèi)相應(yīng)芯片的總代理商,溝通一下,簽個 NDA 還是可以要到相應(yīng)資料的。每隔一周上各 IC 大廠的官方主頁,關(guān)注一下芯片發(fā)展的動態(tài)這是每個電子工程師的必須課啊,這不僅為了下一個方案設(shè)計積累了足夠的資本,也為公司的產(chǎn)品策略做足了功課。

芯片采購是電子電路設(shè)計過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。一般情況下,在各 IC 大廠上尋找的芯片,只要不是 EOL 掉的芯片,一般都能采購到。但是作為電子電路的設(shè)計者,很少不在芯片采購問題上栽過。常見的情況有以下幾種:

1, 遇到經(jīng)濟危機,各 IC 廠商減產(chǎn),導(dǎo)致芯片供貨周期變長,有些IC 廠商甚至提出 20 周貨期的訂貨條件。印象很深的 2009 年上半年訂包 PTH08T240WAD,4-6 周就取到了貨,可是到了 2009 年下半年,要么是 20 周貨期,要么就是價格翻一番,而且數(shù)量只有幾個。

2, 有些芯片雖然在 datasheet 上寫明了有工業(yè)級產(chǎn)品,但是由于市場上用量非常少,所以導(dǎo)致 IC 廠商生產(chǎn)非常少,市場供貨也非常緊缺,這就讓要做寬溫工業(yè)級產(chǎn)品的企業(yè)或者軍工級產(chǎn)品的企業(yè)付出巨大的代價。

3, 有些芯片廠商的代理渠道控制得非常嚴格,一些比較新的芯片在一般的貿(mào)易商那采購不到,只能從代理商那訂。如果數(shù)量能達到一個MPQ 或者 MOQ 的要求,一般代理商就會幫你采購。但是如果只是要一兩個工程樣品,那么就得看你和代理商的關(guān)系了,如果你剛進入這個行業(yè)的話,那很有可能你就無法從代理商這獲得這個工程樣片。

4, 有些芯片是有限售條件,如果芯片是對中國限售而不對亞洲限售的話,一般可以通過新加坡搞進來,如果芯片是對亞洲限售的話,那采購難度得大大的增加,采購的價格也會遠遠超出你的想象空間。先看一個芯片采購案例:

之前我給一朋友推薦了一個 FPGA 芯片,他后來給我發(fā)了一段聊天記錄,如下:

2010-8-3 9:13:12 A B XC6SLX16-2CSG225C 訂貨 250.00
2010-8-3 9:22:10 B A 訂貨多久呢?
2010-8-3 9:22:37 A B 2 周
2010-8-13 14:22:47 A B XC6SLX16-2CSG225C 這個型號,你那天跟我定的,本來是貨期兩周的,但是這個型號屬于敏感型號,禁運國內(nèi)的,我們要第三方去代購,所以現(xiàn)在貨期要 5 周左右,你看能接受嗎?

注:B 為芯片采購商,A 為芯片供應(yīng)商

回顧一下當(dāng)時發(fā)生的情形:

2010-8-3,B 設(shè)計好方案,確定好芯片型號后,因為芯片型號比較新,害怕芯片買不到,于是向芯片供應(yīng)商 A 確定了一下芯片的貨源情況,當(dāng)獲知價格和貨期之后,B 非常高興,非常滿意地跟我說,你推薦的芯片性價比真不錯,等原理圖設(shè)計完之后,就馬上去訂貨。

2010-8-13,B 設(shè)計完原理圖后,B 要向 A 下單時,突然收到 A 的上述回復(fù),于是他一下子就蒙了,因為 2 周就可以完成 PCB layout,1周就可以完成 PCB 加工生產(chǎn)。也就意味著 B 即使 2010-8-13 下單,也得干等 2 周的時間才能開始焊接調(diào)試。(最后 A 這供應(yīng)商又獲知這芯片是對中國禁售的,沒有辦法幫 B 搞定,最后 B 從另外一家芯片貿(mào)易商那花了 5 周的時間才采購到,而且價格漲到了 450)

耽誤 2 周可能還算是少的了,遇到其他特殊情況,芯片搞不到也都是有可能的,如果是原理圖設(shè)計好了之后遇到這種情況的話,那簡直就要哭了,如果是等 PCB layout 好了之后再遇到這種情況的話,那就是欲哭無淚了。

所以建議在芯片方案確定之后,就馬上下單采購芯片,芯片詢價時獲得的價格和貨期消息有時并不一定準確,因為 IC 行業(yè)的數(shù)據(jù)庫的更新有時具有一定的滯后性,只有下單后等到供應(yīng)商的合同確認,那才算塵埃落定。

分析系統(tǒng)主芯片對紋波的要求

由于直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的,這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份,這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波,紋波對系統(tǒng)有很多負面的影響,比如紋波太大會造成主處理器芯片的重啟,或者給某些AD,DA 引入噪聲。一個典型的現(xiàn)象就是,如果電源的紋波疊加到音頻 DA 芯片的輸出上,則會造成嗡嗡的雜音。下表是設(shè)計中所使用芯片對紋波的要求,以及電源芯片能夠提供的紋波范圍,紋波是選擇電源芯片的重要參數(shù),這里只列舉一兩個芯片進行說明:

芯片紋波統(tǒng)計表

分析系統(tǒng)主芯片的電壓上電順序要求

當(dāng)今的大多數(shù)電子產(chǎn)品都需要使用多個電源電壓。電源電壓數(shù)目的增加帶來了一項設(shè)計難題,即需要對電源的相對上電和斷電特性進行控制,以消除數(shù)字系統(tǒng)遭受損壞或發(fā)生閉鎖的可能性。一般這個在芯片手冊中會有詳細說明,建議遵守芯片手冊中的要求進行設(shè)計。

分析系統(tǒng)所有芯片的功耗

統(tǒng)計板卡上用到的所有芯片的功耗,大部分芯片的功耗在芯片手冊上都有詳細說明,部分芯片的功耗在手冊上沒有明確寫明,比如 FPGA,這時候可以根據(jù)以往設(shè)計的經(jīng)驗值,或者事先將 FPGA 的邏輯寫好,借助 EDA 工具進行統(tǒng)計,比如 ISE 的 Xpower Analyzer,下面的表格是一個功耗分析的統(tǒng)計案例。注:因為數(shù)據(jù)比較多,所以這里只選擇了3.3V 的幾個芯片作為代表進行統(tǒng)計。

論證選擇的電源方案能否滿足以上的所有要求

根據(jù)對上電順序的要求,紋波以及功耗的分析,選擇正確的電源方案。

電源設(shè)計是一個細活,數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理是一個不可缺少的工種,養(yǎng)成良好的設(shè)計習(xí)慣,是“一板通”必需的環(huán)節(jié)。

電源方案的選擇,學(xué)問非常多,分析的文章更是數(shù)不勝數(shù)。在這里只列舉幾個規(guī)律性的東西。

在消費級產(chǎn)品里面,由于成本非常敏感,散熱要求比較高,所以一般傾 向于 DC/DC 的解 決方案 ,而且 現(xiàn)在 越來越 多傾向 于 Power Management Multi-Channel IC(PMIC)的解決方案。DC/DC 的一個比較大的缺點就是紋波大,另外如果電感和電容設(shè)計不合理的話,電壓就會很不穩(wěn)定。

印象非常深的就是有一次用 DC/DC 給 FPGA 供電時,根據(jù) FPGA 的Power Distribution System (PDS)分析,加了足夠多的 330uF 鉭電容,結(jié)果 DC/DC 就經(jīng)常出問題,所以 DC/DC 的設(shè)計一定要細心。大功率電路設(shè)計時,電感的選擇也非常的關(guān)鍵,參考設(shè)計中很多電感型號在北京中發(fā)電子市場或者深圳賽格廣場上都是買不到的,而國內(nèi)市場上的替代品往往飽和電流要小于參考設(shè)計中電感的要求值,所以建議設(shè)計時也要先買到符合要求的電感之后,再開始做電感的 Footprint。

在非消費品領(lǐng)域, LDO、電源模塊用得相對較多,因為電源紋波小,設(shè)計簡單。我初學(xué)電路的時候,當(dāng)時就特怵 DC/DC 的設(shè)計,所以當(dāng)時一直用的 LDO 和電源模塊,直到后來開始設(shè)計消費級產(chǎn)品,因為成本的考慮,才不得不開始設(shè)計 DC/DC,不過現(xiàn)在 IC 設(shè)計廠商已經(jīng)基本上都把 MOSFET 集成到芯片里面去了,所以 DC/DC 的設(shè)計的復(fù)雜度也變小了。

對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說,電源部分的設(shè)計也越來越重要,我想通過和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計的心得,來個拋磚引玉,讓我們在電源設(shè)計方面能夠都有所深入和長進。

Q1:如何來評估一個系統(tǒng)的電源需求

Answer:對于一個實際的電子系統(tǒng),要認真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓,輸出電壓和電流,還要仔細考慮總的功耗,電源實現(xiàn)的效率,電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力,關(guān)鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波,還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的,效率高了,在負載功耗相同的情況下總功耗就少,對于整個系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了,對比 LDO和開關(guān)電源,開關(guān)電源的效率要高一些。同時,評估效率不僅僅是看在滿負載的時候電源電路的效率,還要關(guān)注輕負載的時候效率水平。

至于負載瞬態(tài)響應(yīng)能力,對于一些高性能的 CPU 應(yīng)用就會有嚴格的要求,因為當(dāng) CPU 突然開始運行繁重的任務(wù)時,需要的啟動電流是很大的,如果電源電路響應(yīng)速度不夠,造成瞬間電壓下降過多過低,造成 CPU 運行出錯。

一般來說,要求的電源實際值多為標(biāo)稱值的+-5%,所以可以據(jù)此計算出允許的電源紋波,當(dāng)然要預(yù)留余量的。

散熱問題對于那些大電流電源和 LDO 來說比較重要,通過計算也是可以評估是否合適的。

Q2:如何選擇合適的電源實現(xiàn)電路

Answer:根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo),可以來選擇合適的電源實現(xiàn)電路了。一般對于弱電部分,包括了 LDO(線性電源轉(zhuǎn)換器),開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下,LDO 設(shè)計最易實現(xiàn),輸出紋波小,但缺點是效率有可能不高,發(fā)熱量大,可提供的電流相較開關(guān)電源不大等等。而開關(guān)電源電路設(shè)計靈活,效率高,但紋波大,實現(xiàn)比較復(fù)雜,調(diào)試比較煩瑣等等。

Q3:如何為開關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)

Answer:很多的未使用過開關(guān)電源設(shè)計的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理,比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問題,PCB layout 問題,元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實只要了解了,使用一個開關(guān)電源設(shè)計還是非常方便的。

一個開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源控制器和輸出兩部分,有些控制器會將 MOSFET 集成到芯片中去,這樣使用就更簡單了,也簡化了 PCB 設(shè)計,但是設(shè)計的靈活性就減少了一些。

開關(guān)控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng),所以一般都會有一個反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計在于保證精確的采樣電路,還有來控制反饋深度,因為如果反饋環(huán)響應(yīng)過慢的話,對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很多影響的。

而輸出部分設(shè)計包含了輸出電容,輸出電感以及 MOSFET 等等,這些的選擇基本上就是要滿足一個性能和成本的平衡,比如高的開關(guān)頻率就可以使用小的電感值(意味著小的封裝和便宜的成本),但是高的開關(guān)頻率會增加干擾和對 MOSFET 的開關(guān)損耗,從而效率降低。使用低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。

對于輸出電容的 ESR 和 MOSFET 的 Rds_on 參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的,小的 ESR 可以減小輸出紋波,但是電容成本會增加,好的電容會貴嘛。開關(guān)電源控制器驅(qū)動能力也要注意,過多的
MOSFET 是不能被良好驅(qū)動的。

一般來說,開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒的。

Q4:如何調(diào)試開關(guān)電源電路
Answer:有一些經(jīng)驗可以共享給大家
1: 電源電路的輸出輸出通過低阻值大功率電阻接到板內(nèi),這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調(diào)試,避開后面電路的影響。
2: 一般來說開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng),如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍,開關(guān)電源就會工作不正常,所以這種情況就需要認真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大 ESR 值的輸出電容,會產(chǎn)生很多的電源紋波,這也會影響開關(guān)電源的工作的。

接地技術(shù)的討論

Q1:為什么要接地?

Answer:接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護性措施,目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地,從而起到保護建筑物的作用。同時,接地也是保護人

身安全的一種有效手段,當(dāng)某種原因引起的相線(如電線絕緣不良,線路老化等)和設(shè)備外殼碰觸時,設(shè)備的外殼就會有危險電壓產(chǎn)生,由此生成的故障電流就會流經(jīng) PE 線到大地,從而起到保護作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展,在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中,大量設(shè)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化,信號頻率越來越高,因此,在接地設(shè)計中,信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注,否則,接地不當(dāng)就會嚴重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。最近,高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了 “地”的概念。

Q2:接地的定義

Answer: 在現(xiàn)代接地概念中、對于線路工程師來說,該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點’;對于系統(tǒng)設(shè)計師來說,它常常是機柜或機架;對電氣工程師來說,它是綠色安全地線或接到大地的意
思。一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

Q3:常見的接地符號

Answer: PE,PGND,FG - 保 護 地 或 機 殼 ; BGND 或DC-RETURN-直流-48V(+24V)電源(電池)回流;GND-工作地;DGND-數(shù)字地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護地

Q4:合適的接地方式

Answer: 接地有多種方式,有單點接地,多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。一般來說,單點接地用于簡單電路,不同功能模塊之間接地區(qū)分,以及低頻(f10MHz)電路時就要采用多點接地了或者多層板(完整的地平面層)。

Q5:信號回流和跨分割的介紹

Answer:對于一個電子信號來說,它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑,所以如何處理這個信號回流就變得非常的關(guān)鍵。
第一,根據(jù)公式可以知道,輻射強度是和回路面積成正比的,就是說回流需要走的路徑越長,形成的環(huán)越大,它對外輻射的干擾也越大,所以,PCB 布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。

第二,對于一個高速信號來說,提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量,這是因為 PCB 上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來計算的,如果高速線附近有連續(xù)的地平面,這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù),如果有段線附近沒有了地參考,這樣阻抗就會發(fā)生變化,不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以,布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層,或者高速線旁邊并行走一兩條地線,起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三,為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割,這也是因為信號跨越了不同電源層后,它的回流途徑就會很長了,容易受到干擾。當(dāng)然,不是嚴格要求不能跨越電源分割,對于低速的信號是可以的,因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認真檢查,盡量不要跨越,可以通過調(diào)整電源部分的走線。(這是針對多層板多個電源供應(yīng)情況說的)

Q6:為什么要將模擬地和數(shù)字地分開,如何分開?

Answer:模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地,因為數(shù)字信號變化速度快,從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大,而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起,噪聲就會影響到模擬信號。

一般來說,模擬地和數(shù)字地要分開處理,然后通過細的走線連在一起,或者單點接在一起。總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開,如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

Q7:單板上的信號如何接地?

Answer:對于一般器件來說,就近接地是最好的,采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計后,對于一般信號的接地就非常容易了,基本原則是保證走線的連續(xù)性,減少過孔數(shù)量;靠近地平面或者電源平面,等等。

Q8:單板的接口器件如何接地?

Answer:有些單板會有對外的輸入輸出接口,比如串口連接器,網(wǎng)口 RJ45 連接器等等,如果對它們的接地設(shè)計得不好也會影響到正常工作,例如網(wǎng)口互連有誤碼,丟包等,并且會成為對外的電磁干擾源,把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地,與信號地的連接采用細的走線連接,可以串上 0 歐姆或者小阻值的電阻。細的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。同樣的,對接口地和接口電源的濾波也要認真考慮。

Q9:帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

Answer:屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上,這是因為信號地上有各種的噪聲,如果屏蔽層接到了信號地上,噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾,所以設(shè)計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。

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