|
作者：ni_labview 1. 開關(guān)電源這5V輸出有時還真不是東西，真扎手---- 經(jīng)常聽兄弟們抱怨自己的設(shè)計的系統(tǒng)在實驗室或生產(chǎn)車間里調(diào)試老化時一點問題都沒有，可一到現(xiàn)查就不是頻繁復(fù)位就是采樣數(shù)據(jù)受干擾，真是干擾不斷。后來打開機箱看了之后發(fā)現(xiàn)其供電系統(tǒng)直接是用開關(guān)電源的5V輸出供電，正常情況下其輸出紋波僅有幾十毫伏，可到現(xiàn)場一看情況完全變了，壓根是幾倍的關(guān)系，而且串進來的噪音更是讓人害怕。于是這給我們帶來了好的機會，這5V開關(guān)電源如何用才能降低其噪音，最起碼能在降到對整個系統(tǒng)工作的影響達到我們所要求的范圍內(nèi)。 那么目前我們怎么做才能達到這個要求的范圍，很簡單，充分利用LDO和開關(guān)電源上的電位器即可（圖1-1）。 
方法是在你的原始設(shè)計中電源上一定預(yù)留好LDO的位置，今天的LDO已經(jīng)不是往日的78XX那樣個頭笨重，壓降甚大的年代，哪怕你的系統(tǒng)開關(guān)電源質(zhì)量足夠好，別吝惜這該花的價錢，無非是不需要時我可以不焊接補上根短路線。 這其中涉及到一個LDO的選型問題，實際此時在LDO選取時無非要注意三個問題，一是你系統(tǒng)的最大耗電電流，二是想達到最低噪聲等級，除此之外就是如果你是 5V系統(tǒng)只有0.3V的壓差空間對于一般的5V輸出開關(guān)電源，這是因為開關(guān)電源的輸出一般可以在±1％內(nèi)可調(diào)，也就是±0.5V的范圍，你總要給開關(guān)電源電壓輸出能力也留出點余量，這其中必須清楚一個概念就是LDO的壓差定義是當(dāng)輸出電壓從器穩(wěn)定電壓跌落2％時輸入與輸出之間的最小電壓差。 根據(jù)以上條件你可以在TI,ON,linear……等公司的網(wǎng)站上選取合適的LDO品種，品種極為豐富，在設(shè)計的時候一個關(guān)鍵點是必須通讀人家提供的 datasheets文件，特別是注意LDO輸出電容的選擇，到底可不可以用電解電容還是陶瓷電容或鉭電容，這東西可要看清楚些，否則LDO的噪音也是壓不住的。另一個關(guān)鍵點是看好人家LDO的PCB標準布線結(jié)構(gòu)圖，不要輕視這個，比你花更多時間去創(chuàng)新要好得多，畢竟是人家廠商的芯片設(shè)計的延伸。事實上以往有眾多兄弟用TI的TPS系列低噪音LDO降不下來噪音，結(jié)果拿原廠DEMO板測試結(jié)果就是不一樣，最后查到的原因還是布板問題。 在 LDO的選擇上我們往往最好還要知道的工藝結(jié)構(gòu)特點，當(dāng)然這不是完全必須的。目前市面的LDO有雙極工藝的和CMOS工藝的。圖1-2所示的雙極性LDO 和CMOS LDO的基本拓撲結(jié)構(gòu)，二者構(gòu)成的區(qū)別說簡單就是一個是晶體管構(gòu)成，一個是MOS管構(gòu)成；二者的共同點都是基準，運放，調(diào)整管閉環(huán)結(jié)構(gòu)。對于PNP晶體管的雙極性LDO其典型壓差約為0.3V，實際可能略有差別，但總體比CMOS LDO的要高。 另外CMOS LDO的壓差取決與其內(nèi)部的MOSFET的導(dǎo)通電阻，這種類型器件的一個特點是壓差基本上與輸出電流同方向變化，即輸出電流越大壓差越大。CMOS LDO的一個好處是輸出電流加大只與MOSFET調(diào)整管有關(guān)，不會增加地線電流，而雙極性LDO則不具備此類優(yōu)勢，當(dāng)輸入輸出電壓接近時,PNP管的基極電流要增加，如果時電池供電系統(tǒng)要發(fā)生此種情況恰好是電池電壓最低的時候，實際上也是容易對電池造成損壞最大的時候。
當(dāng)然我們也不能否認雙極性LDO落伍，實際不然，目前同功率等級的LDO中，雙極性LDO往往比CMOS LDO具有更低的輸出噪音，在一些噪聲敏感的的電路和一些傳感器激勵電路中噪聲的選擇往往是關(guān)鍵因素之一，這時選擇雙極性LDO有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。試驗過在某 24位AD系統(tǒng)中由于合理利用雙極性LDO替代原來的CMOS LDO，有效數(shù)位至少增加了半位，當(dāng)時知識水平所限搞不懂原因，只是單純認為雙極性LDO的調(diào)整管是電流驅(qū)動型其抗干擾能力要優(yōu)于MOSFET電壓驅(qū)動，實際上這部分還要涉及到某些晶體管的頻響特性要優(yōu)于MOSFET的頻響特性等原因。 2．電容很需要，但不是放在哪里都有效―――門窗漏風(fēng)蓋被子依然冷 前面已經(jīng)講過對于LDO的輸出電容品種很重要，實際上數(shù)值，位置也很重要，包括TI等公司在自己的LDO芯片說明手冊上都提出關(guān)鍵電容的布置圖和電容選型種類。很多人更關(guān)心的是其他芯片的電源線安放旁路電容，基本上是放個0.1uf的獨石電容加上一個10uf的鉭電容，而且離芯片布置距離也很近，但卻忽視了為其供電的LDO的輸出電容設(shè)計，認為給芯片放好旁路電容就可以，實際這是個錯誤的想法。對于電源系統(tǒng)的處理往往都要優(yōu)于對芯片旁路的處理，否則后端再好的設(shè)計也是虛的。 腦電信號的采集目前算是微小信號采集中的一支了，但這個腦電信號的采集電路中更難做的卻是其電源系統(tǒng)，以至于到目前還有好多家的腦電信號采集供電還得意于電池技術(shù)的發(fā)展，實在不好做了索性用電池給系統(tǒng)供電，以至于產(chǎn)生了充電一晚上用一天的的笑話，否則設(shè)備根本無法正常工作。國外的類似系統(tǒng)能夠取得成功一個是源于人家掌握了好的運放技術(shù)，另一個就是其電源系統(tǒng)設(shè)計的功底絕非一招一式解決的，這其中包含著更多合理的芯片，結(jié)構(gòu)，直至電容的選擇。打開一個好的涉及模擬系統(tǒng)設(shè)計首選最該看的就是電容的布置和應(yīng)用，當(dāng)然這不是絕對的。 3.去耦去耦――有感日本某儀器開關(guān)電源設(shè)計 很久以前國內(nèi)某激光特種電源企業(yè)的設(shè)計高精度激光電源時常用AC220V風(fēng)扇，沒問題，工作好好的。忽然有天某外企業(yè)要求用直流12V1A風(fēng)扇的，設(shè)計工程師經(jīng)過計算后在原系統(tǒng)的輔助開關(guān)電源變壓器上加了繞組做了整流輸出，獨立的，很簡單（圖1-3）。這本是UC3842開關(guān)電源沒什么太難的，工人在生產(chǎn)試驗的時候犯懶只是用12歐姆代替風(fēng)扇，于是調(diào)試“成功”出貨了。結(jié)果拿到客戶那里一開直流風(fēng)扇整個系統(tǒng)精度大打折扣，這對激光系統(tǒng)幾乎是致命的。在經(jīng)過全面分析后得到結(jié)論是風(fēng)扇系統(tǒng)供電的輔助繞組中干擾到電源控制回路的供電穩(wěn)定性，風(fēng)扇一起動實際上是紋波噪音都加大了，這可是個典型的耦合問題，不管是控制里的耦合還是電路里的耦合概念，它所產(chǎn)生的耦合絕對不是如圖1-4所示的去耦。
實際上面所說這類耦合干擾處理起來也好辦，直接用一個獨立的12V開關(guān)電源給風(fēng)扇供電就沒有耦了。同樣類似現(xiàn)象的是在日本某儀器時發(fā)現(xiàn)其用了兩個20W的獨立開關(guān)電源，其中一個就是專門給風(fēng)扇供電的，另一個是系統(tǒng)的供電，開始有人還在笑設(shè)計者這是“死心眼”，買個多輸出開關(guān)電源不就成了，后來逐漸理解了人家設(shè)計者的真實用意，可能也是設(shè)計規(guī)則。 目前市售的開關(guān)電源或DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出高頻開關(guān)噪聲，當(dāng)這些噪聲混入模擬電路，放大電路中時將產(chǎn)生比IC芯片本身更打的噪聲。如圖1-4所示，為使噪聲源與電源交流分離，一般采用RC低通實現(xiàn)，也就是去耦。圖中所示的去耦電容C為達到效果一般47～100uf,R越大噪聲衰減越明顯，但同時也會引起壓降，在合適的數(shù)值內(nèi)選擇，一般幾十到幾百歐姆。同時也應(yīng)該注意RC的布線不要過長過繞電感諧振引起不必要的其他噪聲，前山打跑狼后山別招來虎。
4．別看老了，仍然有需求―――DC/DC輸入電容選擇 在我們設(shè)計工業(yè)變送器時經(jīng)常要涉及到工業(yè)現(xiàn)場 24V或12V電壓的轉(zhuǎn)換問題，直接的想法就是如何利用DC-DC控制器設(shè)計我們的電源系統(tǒng)，我們可選的方案是如此之多。但往往出現(xiàn)一個問題，工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常是AC/DC開關(guān)電源供電，當(dāng)你的變送器在現(xiàn)場安裝好了之后回來一上電開關(guān)電源就保護，這時你會說自己的設(shè)計本身24V供電時也就百十毫安，不可能出現(xiàn)耗電過大或短路的情況。 經(jīng)查你的變送器單個工作沒問題，你可以質(zhì)疑人家的開關(guān)電源選的容量不夠是一方面，抗沖擊能力差等等說法，但不可否認我們是在不知不覺中犯的錯誤，我們大多忽視了電源輸入電容的選擇，或者在設(shè)計初期沒有細心去考慮這個問題，電容上電瞬間相當(dāng)于“短路”的現(xiàn)象我們沒有注意，也就是這個沒注意當(dāng)多個變送器電源一起上電時就讓開關(guān)電源的輸出產(chǎn)生保護，而且輸入電容容量越大這個現(xiàn)象越明顯。以往我們沒有選擇余地，但現(xiàn)在就不一樣了，今天我們可以選擇更多的國半的，ON的，凌特的還有TI的等公司的芯片，它們的輸入電容越來越小了，情況好多了。 除了選擇好 DC/DC芯片之外，我們還要關(guān)注DC/DC對整個電源系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾情況，許多DC/DC轉(zhuǎn)換芯片帶有和負載電流類似的脈沖電流，這個輸入電流和輸入電容的ESR決定了對整個電源系統(tǒng)的影響 。對于輸入電容來說，低的ESR是嚴格要求的，在有些場合還要在輸入電容上并聯(lián)相應(yīng)容量的陶瓷電容消除DC/DC本身所產(chǎn)生的高頻噪聲對供電系統(tǒng)的影響。 5. 我叫隔離電源模塊，不叫隔離穩(wěn)壓輸出模塊 這類東西誰都不陌生，他就是便宜的定電壓輸入隔離非穩(wěn)壓單輸出系列DC-DC模塊，最常用的標稱的是5V輸入輸出的品種，經(jīng)常用在通信隔離或模擬隔離上，性能也不錯。但我們用這類東西的時候要關(guān)注其如下幾點：一是其輸出負載一般不能小于10％（不同廠家略有區(qū)別），否則其輸出電壓高而且容易損壞。如果你用它來作通信芯片隔離供電，一定要看看負載多大電流，不行要并電阻消耗一些。二是如果你用你的5V系統(tǒng)給這個模塊供電，其作為開關(guān)類器件同樣產(chǎn)生噪音，此時你的系統(tǒng)也要承受這種干擾。建議LC網(wǎng)絡(luò)消除噪音，具體操作廠商的手冊上會提供一些參考。三是這類模塊基本都沒有輸出保護，建議其輸出增加帶過流保護的LDO芯片使用。 如果您是用它作模擬隔離電源，更多觀注其輸出紋波的影響，相應(yīng)的線性調(diào)整是必須的同時還要增加響應(yīng)的LC網(wǎng)絡(luò)濾掉其討厭的開關(guān)噪聲。很多對于噪聲要求苛刻的模擬電路在隔離時的供電不是單純的線性調(diào)整LDO就可以消除電源噪音，必須根據(jù)實際情況配合相應(yīng)LC網(wǎng)絡(luò)甚至RC網(wǎng)絡(luò)消除不同頻率的噪音，如果有更高精度要求建議選擇真正紋波小的穩(wěn)壓輸出型隔離模塊。 |
