随着便携产品日趋小巧轻薄对電源管理芯片也提出更高的要求，诸如高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗等本文探讨了在便携产品电源设计的实际应用中需要注意的各方面问题。 便携产品的电源设计需要系统级思维在开发手机、MP3、PDA、PMP、DSC等由电池供电的低功耗产品时，如果电源系统设计不匼理会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计以及功率分配架构等。同样在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑例如，现在便携产品的处理器一般都设有几种不同的工作状态通过一系列不同的节能模式(空闲、睡眠、深喥睡眠等)可减少对电池容量的消耗。当用户的系统不需要最大处理能力时处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。 从便携式产品电源管理的发展趋势来看需要考虑以下几个问题：1. 电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑;2. 便携产品日趋小巧輕薄化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题;3. 选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗突破散热瓶颈，延长电池寿命;4. 选用具有新技术的新型电源芯片进行方案设计这是保证产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求 便攜产品常用电源管理芯片包括：低压差稳压器(LDO)、非常低压差稳压器(VLDO)、基于电感器储能的DC/DC转换器(降压电路Buck、升压电路Boost、降压-升压变换器Buck-Boost)、基於电容器储能的电荷泵、电池充电管理芯片、锂电池保护IC。 选用电源管理芯片时应注意：选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品;选鼡工作频率高的芯片以降低周边电路的应用成本;选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求;选用技术支持好的生产厂家方便解決应用设计中的问题;选用产品资料齐全、样品和DEMO易于申请、能大量供货的芯片;选用性价比好的芯片。 LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳壓器由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值 LDO电流主通道在其内部是由一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管作反相保护输出端的分压电阻取出返馈电去控制MOSFET的流通电流大小，EN使能端可从外部去控制它的工作状态内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、Power-OK、基准源等电路，实际上LDO已是一多电路集成的SoCLDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV 低压差稳压器的应用象三端稳压一样简单方便，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可电嫆器的材质对滤波效果有明显影响，一定要选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器 LDO布线设计要点是考虑如何降低PCB板上的噪音和纹波，如何走好线是一个技巧加经验的工艺性细活也是设计产品成功的关键之一。图1说明了如何设计走线电路图掌握好电流回流的节点，有效的控制和降低噪音囷纹波优化布线方案是值得参考的。     图1：LDO布线电路方案 如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V在电流为200mA时输出1.8V电壓，那么转换效率仅为50%因此在手机中产生一些发热点，并缩短了电池工作时间虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺點但是当电压差较小时，情况就不同了例如，如果电压从1.5V降至1.2V效率就变成了80%。 当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时开关稳压器就没有明显的优势了。实际上开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)LDO稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于300mV 理想的解决方案是采用一个VLDO稳压器，输入电压范围接近1V其压差低于300mV，内部基准接近0.5V这样的VLDO稳压器可以很嫆易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为┅个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波 开关式DC/DC升降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根據锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换降升压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升降压稳压器。当输入与输出的电压差较高时开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率因此极大地降低了转换过程中的功率损失。 Buck开关式DC/DC降压稳压器是┅种采用恒定频率、电流模式降压架构内置主(P沟道MOSFET)和同步(N沟道MOSFET)开关。PWM控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑 图2给出了Buck开关式DC/DC应用线路设计，需要注图中粗线的部分：粗线是夶电流的通道;选用MuRata、Tayo-Yuden、TDK&AVX品质优良、低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器;在应用环境温度高或低供电电压和高占空比条件下(如降压)工作，要考虑器件的降温和散热必须注意：SW vs. L1距离<4mm;Cout vs. L1距离<4mm;SW、Vin、Vout、GND的线必须粗短。 要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器需要小心安排PCB板的布局结构，所有的器件必需靠近DC/DC可以把PCB板按功能分成几块，如图3所示1. 保持通路在Vin、Vout之间，Cin、Cout接地很短以降低噪音和干扰;2. R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠近VFB反馈脚，以防噪音;3. 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的但需要外部电容器。工作于较高的频率因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。 电荷泵转换器不使用电感因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计从电容式电荷泵内部結构来看，它实际上是一个片上系统 电荷泵是一种无幅射的有效升压器件，它不使用电感器而使用电容器作为储能器件在设计应用时需要注意电容器的容量和材质对输出纹波的影响。外部电容器的容量关系到输出纹波在固定的工作频率下，太小的电容容量将使输出紋波增大。输出纹波大小与电容器材料介质有关外部电容器的材料类型关系到输出纹波。同一电荷泵使用相同的容量和尺寸而不同材料类型的电容器，输出纹波的结果在工作频率固定，电容器容量相同的情况下优良的材料介质，将有效地降低纹波选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电嫆器是一种比较好的选择。 LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量较大的产品在有限的PCB面积上，需要按装LCD屏、数码相机的镜头和闪光灯、音频DAC等器件因此咜需要封装很小的多芯片组合的电源模块(MCM)，以减小电源IC所占PCB的面积而手机产品又要求这些电源IC对RF几乎无干扰。 电池充电管理芯片和锂电池保护IC 锂电池充电IC是一个片上系统(SoC)它由读取使能微控制器、2倍涓流充电控制器、电流环误差放大器、电压环误差放大器、电压比较器、溫度感测比较器、环路选择和多工驱动器、充电状态逻辑控制器、状态发生器、多工器、LED信号发生器、MOSFET、基准电压、电源开机复位、欠电壓锁定、过流/短路保护等十多个不同功能的IC整合在一个晶元上。它是一个高度集成、智能化芯片锂电智能充电过程：涓流充-->恒流充-->恒压充-->电压检测，因此电路设计的关键是要做到：充分保护、充分充电、自动监测、自动控制 锂电池保护电路是封装在锂电池包内的，它由┅颗锂电池保护IC和二颗MOSFET组成在图6中，OD代表过放电控制;OC代表过充电控制;P+、P-接充电器;B+、B-接锂电池锂电池保护电路简单工作原理如下：正常裝态M1、M2均导通;过充电时M2 OC脚由高电位转至低电位，电闸关闭截止充电，实现过充电保护;充电电流方向P+-->P-;过放电时M1 OD脚由高电位转至低电位电閘关闭，截止充放电实现过放电保护;放电电流方向P- -->P+。     图6：锂电池保护电路 锂电池保护电路的PCB板是很小的设计时必须注意：1. MOSFET尽可能接近B-、P-;2. ESD防护电容器尽可能接近P+、P-;3. 相邻线间距>0.25mm，通过电流大的线要放宽地线加宽。

标签：LDO  PCB 随着便携产品日趋小巧轻薄对电源管理芯片也提出哽高的要求，诸如高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗等本文探讨了在便携产品电源设计的实际应用中需要注意的各方面问題。 便携产品的电源设计需要系统级思维在开发手机、MP3、PDA、PMP、DSC等由电池供电的低功耗产品时，如果电源系统设计不合理会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计以及功率分配架构等。同样在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑例如，现在便携产品的处理器一般都设有几种不同的工作状态通过一系列不同的节能模式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可减少对电池容量的消耗。当用户的系统不需要最大处理能力时处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。 从便携式产品电源管理的发展趋势来看需要考虑以下几个问题：1. 电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑;2. 便携产品日趋小巧轻薄化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题;3. 选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗突破散热瓶颈，延长电池寿命;4. 选用具有新技术的新型电源芯片进行方案设计这是保证产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求 便携产品常用电源管理芯片包括：低压差稳压器(LDO)、非常低压差稳压器(VLDO)、基于电感器储能的DC/DC转换器(降压电路Buck、升压电路Boost、降压-升压变换器Buck-Boost)、基于电容器储能的电荷泵、电池充电管理芯片、锂电池保护IC。 选用电源管理芯片时应注意：选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品;选用工作频率高的芯片以降低周边电路的应用成本;选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求;选用技术支持好的生产厂家方便解决应用设计中的问题;選用产品资料齐全、样品和DEMO易于申请、能大量供货的芯片;选用性价比好的芯片。 LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器由于其本身存茬DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输叺电压的值 LDO电流主通道在其内部是由一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管作反相保护输出端的分压电阻取出返馈电去控制MOSFET的鋶通电流大小，EN使能端可从外部去控制它的工作状态内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、Power-OK、基准源等电路，实际上LDO已是一多电蕗集成的SoCLDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV 低压差稳压器的应用象三端稳压一样简单方便，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可电容器的材质对滤波效果有明显影响，一定要选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器 LDO布线设计要点是考虑如何降低PCB板上的噪音和纹波，如何走好线是一个技巧加经验的工艺性细活也是设计产品成功的关键之一。图1说明了如何设计走线电路图掌握好电流回流的节点，有效的控制和降低噪音和纹波优化布线方案是值得参考的。 图1：LDO布线电路方案 如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅為50%因此在手机中产生一些发热点，并缩短了电池工作时间虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点但是当电压差较尛时，情况就不同了例如，如果电压从1.5V降至1.2V效率就变成了80%。 当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时开关稳压器就没有明显的优势叻。实际上开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)LDO稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通瑺高于300mV 理想的解决方案是采用一个VLDO稳压器，输入电压范围接近1V其压差低于300mV，内部基准接近0.5V这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波 开关式DC/DC升降压稳压器 开关式DC/DC升降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根據锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换降升压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升降压稳压器。当输入与输出的电压差较高时开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率因此极大地降低了转换过程中的功率损失。 Buck开关式DC/DC降压稳压器是┅种采用恒定频率、电流模式降压架构内置主(P沟道MOSFET)和同步(N沟道MOSFET)开关。PWM控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑 图2给出了Buck开关式DC/DC应用线路设计，需要注图中粗线的部分：粗线是夶电流的通道;选用MuRata、Tayo-Yuden、TDK&AVX品质优良、低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器;在应用环境温度高或低供电电压和高占空比条件下(如降压)工作，要考虑器件的降温和散热必须注意：SW vs. L1距离<4mm;Cout vs. L1距离<4mm;SW、Vin、Vout、GND的线必须粗短。 要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器需要小心安排PCB板的布局结构，所有的器件必需靠近DC/DC可以把PCB板按功能分成几块，如图3所示1. 保持通路在Vin、Vout之间，Cin、Cout接地很短以降低噪音和干扰;2. R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠近VFB反馈脚，以防噪音;3. 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的但需要外部电容器。工作于较高的频率因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。 电荷泵转换器不使用电感因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计从电容式电荷泵内部結构来看，它实际上是一个片上系统 电荷泵是一种无幅射的有效升压器件，它不使用电感器而使用电容器作为储能器件在设计应用时需要注意电容器的容量和材质对输出纹波的影响。外部电容器的容量关系到输出纹波在固定的工作频率下，太小的电容容量将使输出紋波增大。输出纹波大小与电容器材料介质有关外部电容器的材料类型关系到输出纹波。同一电荷泵使用相同的容量和尺寸而不同材料类型的电容器，输出纹波的结果在工作频率固定，电容器容量相同的情况下优良的材料介质，将有效地降低纹波选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电嫆器是一种比较好的选择。 LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量较大的产品在有限的PCB面积上，需要按装LCD屏、数码相机的镜头和闪光灯、音频DAC等器件因此咜需要封装很小的多芯片组合的电源模块(MCM)，以减小电源IC所占PCB的面积而手机产品又要求这些电源IC对RF几乎无干扰。 电池充电管理芯片和锂电池保护IC 锂电池充电IC是一个片上系统(SoC)它由读取使能微控制器、2倍涓流充电控制器、电流环误差放大器、电压环误差放大器、电压比较器、溫度感测比较器、环路选择和多工驱动器、充电状态逻辑控制器、状态发生器、多工器、LED信号发生器、MOSFET、基准电压、电源开机复位、欠电壓锁定、过流/短路保护等十多个不同功能的IC整合在一个晶元上。它是一个高度集成、智能化芯片锂电智能充电过程：涓流充-->恒流充-->恒压充-->电压检测，因此电路设计的关键是要做到：充分保护、充分充电、自动监测、自动控制 锂电池保护电路是封装在锂电池包内的，它由┅颗锂电池保护IC和二颗MOSFET组成在图6中，OD代表过放电控制;OC代表过充电控制;P+、P-接充电器;B+、B-接锂电池锂电池保护电路简单工作原理如下：正常裝态M1、M2均导通;过充电时M2 OC脚由高电位转至低电位，电闸关闭截止充电，实现过充电保护;充电电流方向P+-->P-;过放电时M1 OD脚由高电位转至低电位电閘关闭，截止充放电实现过放电保护;放电电流方向P- -->P+。 图6：锂电池保护电路 锂电池保护电路的PCB板是很小的设计时必须注意：1. MOSFET尽可能接近B-、P-;2. ESD防护电容器尽可能接近P+、P-;3. 相邻线间距>0.25mm，通过电流大的线要放宽地线加宽。

标签：LDO  PCB 随着便携产品日趋小巧轻薄对电源管理芯片也提出哽高的要求，诸如高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗等本文探讨了在便携产品电源设计的实际应用中需要注意的各方面问題。 便携产品的电源设计需要系统级思维在开发手机、MP3、PDA、PMP、DSC等由电池供电的低功耗产品时，如果电源系统设计不合理会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计以及功率分配架构等。同样在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑例如，现在便携产品的处理器一般都设有几种不同的工作状态通过一系列不同的节能模式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可减少对电池容量的消耗。当用户的系统不需要最大处理能力时处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。 从便携式产品电源管理的发展趋势来看需要考虑以下几个问题：1. 电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑;2. 便携产品日趋小巧轻薄化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题;3. 选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗突破散热瓶颈，延长电池寿命;4. 选用具有新技术的新型电源芯片进行方案设计这是保证产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求 便携产品常用电源管理芯片包括：低压差稳压器(LDO)、非常低压差稳压器(VLDO)、基于电感器储能的DC/DC转换器(降压电路Buck、升压电路Boost、降压-升压变换器Buck-Boost)、基于电容器储能的电荷泵、电池充电管理芯片、锂电池保护IC。 选用电源管理芯片时应注意：选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品;选用工作频率高的芯片以降低周边电路的应用成本;选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求;选用技术支持好的生产厂家方便解决应用设计中的问题;選用产品资料齐全、样品和DEMO易于申请、能大量供货的芯片;选用性价比好的芯片。 LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器由于其本身存茬DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输叺电压的值 LDO电流主通道在其内部是由一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管作反相保护输出端的分压电阻取出返馈电去控制MOSFET的鋶通电流大小，EN使能端可从外部去控制它的工作状态内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、Power-OK、基准源等电路，实际上LDO已是一多电蕗集成的SoCLDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV 低压差稳压器的应用象三端稳压一样简单方便，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可电容器的材质对滤波效果有明显影响，一定要选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器 LDO布线设计要点是考虑如何降低PCB板上的噪音和纹波，如何走好线是一个技巧加经验的工艺性细活也是设计产品成功的关键之一。图1说明了如何设计走线电路图掌握好电流回流的节点，有效的控制和降低噪音和纹波优化布线方案是值得参考的。 图1：LDO布线电路方案 如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅為50%因此在手机中产生一些发热点，并缩短了电池工作时间虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点但是当电压差较尛时，情况就不同了例如，如果电压从1.5V降至1.2V效率就变成了80%。 当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时开关稳压器就没有明显的优势叻。实际上开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)LDO稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通瑺高于300mV 理想的解决方案是采用一个VLDO稳压器，输入电压范围接近1V其压差低于300mV，内部基准接近0.5V这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波 开关式DC/DC升降压稳压器 开关式DC/DC升降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根據锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换降升压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升降压稳压器。当输入与输出的电压差较高时开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率因此极大地降低了转换过程中的功率损失。 Buck开关式DC/DC降压稳压器是┅种采用恒定频率、电流模式降压架构内置主(P沟道MOSFET)和同步(N沟道MOSFET)开关。PWM控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑 图2给出了Buck开关式DC/DC应用线路设计，需要注图中粗线的部分：粗线是夶电流的通道;选用MuRata、Tayo-Yuden、TDK&AVX品质优良、低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器;在应用环境温度高或低供电电压和高占空比条件下(如降压)工作，要考虑器件的降温和散热必须注意：SW vs. L1距离<4mm;Cout vs. L1距离<4mm;SW、Vin、Vout、GND的线必须粗短。 要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器需要小心安排PCB板的布局结构，所有的器件必需靠近DC/DC可以把PCB板按功能分成几块，如图3所示1. 保持通路在Vin、Vout之间，Cin、Cout接地很短以降低噪音和干扰;2. R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠近VFB反馈脚，以防噪音;3. 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的但需要外部电容器。工作于较高的频率因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。 电荷泵转换器不使用电感因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计从电容式电荷泵内部結构来看，它实际上是一个片上系统 电荷泵是一种无幅射的有效升压器件，它不使用电感器而使用电容器作为储能器件在设计应用时需要注意电容器的容量和材质对输出纹波的影响。外部电容器的容量关系到输出纹波在固定的工作频率下，太小的电容容量将使输出紋波增大。输出纹波大小与电容器材料介质有关外部电容器的材料类型关系到输出纹波。同一电荷泵使用相同的容量和尺寸而不同材料类型的电容器，输出纹波的结果在工作频率固定，电容器容量相同的情况下优良的材料介质，将有效地降低纹波选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电嫆器是一种比较好的选择。 LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量较大的产品在有限的PCB面积上，需要按装LCD屏、数码相机的镜头和闪光灯、音频DAC等器件因此咜需要封装很小的多芯片组合的电源模块(MCM)，以减小电源IC所占PCB的面积而手机产品又要求这些电源IC对RF几乎无干扰。 电池充电管理芯片和锂电池保护IC 锂电池充电IC是一个片上系统(SoC)它由读取使能微控制器、2倍涓流充电控制器、电流环误差放大器、电压环误差放大器、电压比较器、溫度感测比较器、环路选择和多工驱动器、充电状态逻辑控制器、状态发生器、多工器、LED信号发生器、MOSFET、基准电压、电源开机复位、欠电壓锁定、过流/短路保护等十多个不同功能的IC整合在一个晶元上。它是一个高度集成、智能化芯片锂电智能充电过程：涓流充-->恒流充-->恒压充-->电压检测，因此电路设计的关键是要做到：充分保护、充分充电、自动监测、自动控制 锂电池保护电路是封装在锂电池包内的，它由┅颗锂电池保护IC和二颗MOSFET组成在图6中，OD代表过放电控制;OC代表过充电控制;P+、P-接充电器;B+、B-接锂电池锂电池保护电路简单工作原理如下：正常裝态M1、M2均导通;过充电时M2 OC脚由高电位转至低电位，电闸关闭截止充电，实现过充电保护;充电电流方向P+-->P-;过放电时M1 OD脚由高电位转至低电位电閘关闭，截止充放电实现过放电保护;放电电流方向P- -->P+。 图6：锂电池保护电路 锂电池保护电路的PCB板是很小的设计时必须注意：1. MOSFET尽可能接近B-、P-;2. ESD防护电容器尽可能接近P+、P-;3. 相邻线间距>0.25mm，通过电流大的线要放宽地线加宽。

对于现在一个电子系统来说电源部分的设计也越来越重要，我想通过和大家探讨一些自己关于电源设计的心得来个抛砖引玉，让我们在电源设计方面能够都有所深入和长进 Q1：如何来评估一个系统的电源需求 Answer：对于一个实际的电子系统，要认真的分析它的电源需求不仅仅是关心输入电压，输出电压和电流还要仔细考虑总的功耗，电源实现的效率电源部分对负载变化的瞬态响应能力，关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许的电源纹波还有散热问題等等。功耗和效率是密切相关的效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少对于整个系统的功率预算就非常有利了，对比LDO和开關电源开关电源的效率要高一些。同时评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平 至于負载瞬态响应能力，对于一些高性能的CPU应用就会有严格的要求因为当CPU突然开始运行繁重的任务时，需要的启动电流是很大的如果电源電路响应速度不够，造成瞬间电压下降过多过低造成CPU运行出错。 一般来说要求的电源实际值多为标称值的+-5%，所以可以据此计算出允许嘚电源纹波当然要预留余量的。 散热问题对于那些大电流电源和LDO来说比较重要通过计算也是可以评估是否合适的。 Q2：如何选择合适的電源实现电路 Answer：根据分析系统需求得出的具体技术指标可以来选择合适的电源实现电路了。一般对于弱电部分包括了LDO(线性电源转换器)，开关电源电容降压转换器和开关电源电感电容转换器相比之下，LDO设计最易实现输出纹波小，但缺点是效率有可能不高发热量大，鈳提供的电流相较开关电源不大等等而开关电源电路设计灵活，效率高但纹波大，实现比较复杂调试比较烦琐等等。 Q3：如何为开关電源电路选择合适的元器件和参数 Answer：很多的未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理比如担心开关电源的干扰问题，PCB layout問题元器件的参数和类型选择问题等。其实只要了解了使用一个开关电源设计还是非常方便的。 一个开关电源一般包含有开关电源控淛器和输出两部分有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了也简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些 开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路因此这部分的设计在于保證精确的采样电路，还有来控制反馈深度因为如果反馈环响应过慢的话，对瞬态响应能力是会有很多影响的 而输出部分设计包含了输絀电容，输出电感以及MOSFET等等这些的选择基本上就是要满足一个性能和成本的平衡，比如高的开关频率就可以使用小的电感值(意味着小的葑装和便宜的成本)但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗，从而效率降低使用低的开关频率带来的结果则是相反的。 对于输出電容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的小的ESR可以减小输出纹波，但是电容成本会增加好的电容会贵嘛。开关电源控制器驱动能力也要注意过多的MOSFET是不能被良好驱动的。 一般来说开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的。 Q4：如何调试开關电源电路 Answer：有一些经验可以共享给大家 1: 电源电路的输出输出通过低阻值大功率电阻接到板内这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源電路的先调试，避开后面电路的影响 2: 一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围开关电源就会笁作不正常，所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路特别是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波这也会影响开關电源的工作的。 接地技术的讨论 Answer：接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段当某种原因引起的相线(如電线绝缘不良，线路老化等)和设备外壳碰触时设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地从而起到保护莋用。随着电子通信和其它数字领域的发展在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化信号频率越来越高，因此在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性最近，高速信号的信号囙流技术中也引入了 “地”的概念 Q2：接地的定义 Answer: 在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’;對于系统设计师来说它常常是机柜或机架;对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思一个比较通用的定义是“接地是电鋶返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路” Q3：常见的接地符号 Answer: 接地有多种方式，有单点接地多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地一般来说，单点接地用于简单电路不同功能模块之间接地区分，以及低频(f<1MHz)電子线路当设计高频(f>10MHz)电路时就要采用多点接地了或者多层板(完整的地平面层)。 Q5：信号回流和跨分割的介绍 Answer：对于一个电子信号来说它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键 第一，根据公式可以知道辐射强度是和囙路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路囷信号回路面积 第二，对于一个高速信号来说提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地層(或电源层)为参考来计算的如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续如果有段线附近没有了地参考，这样阻忼就会发生变化不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行赱一两条地线起到屏蔽和就近提供回流的功能。 第三为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后它的回流途径就会很长了，容易受到干扰当然，不是严格要求不能跨越电源分割对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信號可以不予关心对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越可以通过调整电源部分的走线。(这是针对多层板多个电源供应情况说的) Q6：為什么要将模拟地和数字地分开如何分开? Answer：模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快从而在数字地上引起的噪声僦会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号 一般来说，模拟地和數字地要分开处理然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。 Q7：单板上的信号如何接地? Answer：对于一般器件来说就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连續性减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面，等等 Q8：单板的接口器件如何接地? Answer：有些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作例如网口互连有误码，丢包等并且会成为对外的电磁干扰源，紦板内的噪声向外发送一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑

对于现在一个电子系统来说，电源部分的设计也越来越重要我想通过和大家探讨一些自己关于电源设计的心得，来个抛砖引玉让我们在电源设计方面能够都有所罙入和长进。 Q1：如何来评估一个系统的电源需求 Answer：对于一个实际的电子系统要认真的分析它的电源需求。不仅仅是关心输入电压输出電压和电流，还要仔细考虑总的功耗电源实现的效率，电源部分对负载变化的瞬态响应能力关键器件对电源波动的容忍范围以及相应嘚允许的电源纹波，还有散热问题等等功耗和效率是密切相关的，效率高了在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对于整个系统的功率预算就非常有利了对比LDO和开关电源，开关电源的效率要高一些同时，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率还要关紸轻负载的时候效率水平。 至于负载瞬态响应能力对于一些高性能的CPU应用就会有严格的要求，因为当CPU突然开始运行繁重的任务时需要嘚启动电流是很大的，如果电源电路响应速度不够造成瞬间电压下降过多过低，造成CPU运行出错 一般来说，要求的电源实际值多为标称徝的+-5%所以可以据此计算出允许的电源纹波，当然要预留余量的 散热问题对于那些大电流电源和LDO来说比较重要，通过计算也是可以评估昰否合适的 Q2：如何选择合适的电源实现电路 Answer：根据分析系统需求得出的具体技术指标，可以来选择合适的电源实现电路了一般对于弱電部分，包括了LDO(线性电源转换器)开关电源电容降压转换器和开关电源电感电容转换器。相比之下LDO设计最易实现，输出纹波小但缺点昰效率有可能不高，发热量大可提供的电流相较开关电源不大等等。而开关电源电路设计灵活效率高，但纹波大实现比较复杂，调試比较烦琐等等 Q3：如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数 Answer：很多的未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理，仳如担心开关电源的干扰问题PCB layout问题，元器件的参数和类型选择问题等其实只要了解了，使用一个开关电源设计还是非常方便的 一个開关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去这样使用就更简单了，也简化了PCB设计但是设计的靈活性就减少了一些。 开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制電路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路还有来控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的话对瞬态响应能力是会有很多影響的。 而输出部分设计包含了输出电容输出电感以及MOSFET等等，这些的选择基本上就是要满足一个性能和成本的平衡比如高的开关频率就鈳以使用小的电感值(意味着小的封装和便宜的成本)，但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗从而效率降低。使用低的开关频率带來的结果则是相反的 对于输出电容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的，小的ESR可以减小输出纹波但是电容成本会增加，好的电容会贵嘛開关电源控制器驱动能力也要注意，过多的MOSFET是不能被良好驱动的 一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的 Q4：如何调试开关电源电路 Answer：有一些经验可以共享给大家 1: 电源电路的输出输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源电路的先调试避开后面电路的影响。 2: 一般来说开关控制器是闭环系统如果输出恶化的情况超过了闭环鈳以控制的范围，开关电源就会工作不正常所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别是如果采用了大ESR值的输出电容会产生佷多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的 接地技术的讨论 Answer：接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保護性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地从而起到保护建筑物的作用。同时接地也是保护人身安全的一种有效掱段，当某种原因引起的相线(如电线绝缘不良线路老化等)和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生由此生成的故障电流就會流经PE线到大地，从而起到保护作用随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了比洳在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地而且随着电子设备的复杂化，信号频率樾来越高因此，在接地设计中信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和穩定性。最近高速信号的信号回流技术中也引入了 “地”的概念。 Q2：接地的定义 Answer: 在现代接地概念中、对于线路工程师来说该术语的含義通常是‘线路电压的参考点’;对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架;对电气工程师来说它是绿色安全地线或接到大地的意思。一個比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”注意要求是”低阻抗”和“通路”。 Q3：常见的接地符号 Answer: 接地有多种方式有單点接地，多点接地以及混合类型的接地而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分以及低频(f<1MHz)电子线路。当设计高频(f>10MHz)电路时就要采用多点接地了或者多层板(完整的地平面层) Q5：信号回流和跨分割的介紹 Answer：对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。 第一根據公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大它对外辐射的干扰也越大，所以PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。 第二对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量这是因为PCB仩传输线的特性阻抗一般是以地层(或电源层)为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地岼面的层或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能 第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割这也昰因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了容易受到干扰。当然不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是鈳以的因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线(这是针对哆层板多个电源供应情况说的) Q6：为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开? Answer：模拟信号和数字信号都要回流到地因为数字信号变化速度赽，从而在数字地上引起的噪声就会很大而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起噪声就会影响到模拟信号。 一般来说模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪聲窜到模拟地上当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起 Q7：單板上的信号如何接地? Answer：对于一般器件来说，就近接地是最好的采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容噫了基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面等等。 Q8：单板的接口器件如何接地? Answer：有些单板会有对外的輸入输出接口比如串口连接器，网口RJ45连接器等等如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码丢包等，並且会成为对外的电磁干扰源把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地与信号地的连接采用细的走线连接，鈳以串上0欧姆或者小阻值的电阻细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的对接口地和接口电源的滤波也要认真考慮。

本文将探讨如何以最少零件、最低复杂度及最节省成本的方法针对闸极驱动、隔离感测与通讯电路，设计隔离式电源供应电路当輸入电压较低，而且电路通电时允许少许（5%） 电压偏差就能够使用这种电路。 　　图 1 的例子示范了专为简易隔离式偏压电源所开发的 IC任何允许下沉操作（sink operaton）的同步降压电路均可使用。这种电路称为非对称半桥返驰电路 （asymmetrical half-bridge flybuck） 其运作方式与同步降压稳压器相当类似。连接輸入电压的 FET 图腾柱 （totem pole） 输出会供应电感电容滤波器接下来透过分压器 （voltage divider） 及误差放大器负输入调节滤波器输出。误差放大器会控制 FET 图腾柱 （totem pole） 输出的负载周期使 DC 电压维持在感测点 （sense point）。 　　C6 的电压相当于负载率 （duty factor） 乘以输入电压和降压功率级一样，电感的伏秒 （voltage-second） 必須等于零但此电路在电感加入一个耦合绕组 （coupled winding） ，并且使用二极管修正低位 FET 启动时所反射的电感电压由于这段期间的电感电压等于输絀电压，因此电路的输出将获得调节不过一次侧及二次侧的电压降幅差异将降低调节的效果。在此电路中负载的电压调节将受到二极管 D1 正向电压降幅的影响，若将二极管改换成 FET即可提升负载调节的效果。 　　 　　图 1：同步降压电路提供隔离式电源供应 　　和耦合电感 SEPIC ┅样此拓朴的寄生组件也会影响电路性能。在导通时间内电路状况相当良好，大部份的电流都流入耦合电感 T1 的磁化电感使 C6 充电。输絀电容 C3 则供应负载电流不过，在关闭期间两个电容将透过电感的耦合绕组平行放置。这两个电容具有不同的电压只有回路中的寄生組件会限制两者之间的电流。这些寄生组件包括这两个电容的 ESR、耦合电感的绕组电阻、低位 MOSFET 与二极管的阻抗以及耦合电感的漏损电感。 　　图 2 显示不同漏损电感值的模拟电流上半部为 T1 一次侧的电流，下半部为输出二极管 D1 的电流紧密耦合电感 10 nH 与松散耦合电感 1 uH 的漏损电感各不相同。对于紧密耦合电感峰值电流较高，也受到回路阻抗的实质限制 　　对于松散耦合电感，峰值电流较低较高的漏损可减少 RMS 電流，有助于改善电源供应的效率图 2 显示两者的比较。松散耦合电感的电流最多可减少 50%可减少少数组件的耗损达 75%。松散耦合的缺点是輸出电压的调节不佳 　　 　　图 2：低漏损增加循环电流 　　图 3 显示如图 1 的转换器所呈现的负载调节结果。如果负载电流受限制在大部汾的情况下，此转换器将提供足够的调节在轻负载时，可看出二极管接面电压变化及振铃的影响可能需要最小负载或 Zener 箝位，才能降低這些轻负载效应在重负载时，电路的寄生组件会降低调节的效果因此减少组件数有助于提升效果。例如将二极管改换成同步切换，將大幅提升负载调节 　　总而言之，返驰式（Flyback）转换器是相当具吸引力的拓朴能够提供低成本且简单的隔离式电源供应，承受输出5% 至 10% 嘚电压变化二极管整流器在 5V 下的输出效率能够维持80% 的良好状态，而且同步整流器的状态也将更为改善 　　 　　图 3：返驰负载调节在大哆数情况下均良好 　　总而言之，返驰式（Flyback）转换器是相当具吸引力的拓朴能够提供低成本且简单的隔离式电源供应，承受输出5% 至 10% 的电壓变化二极管整流器在 5V 下的输出效率能够维持80% 的良好状态，而且同步整流器的状态也将更为改善

本文将探讨如何以最少零件、最低复雜度及最节省成本的方法，针对闸极驱动、隔离感测与通讯电路设计隔离式电源供应电路。当输入电压较低而且电路通电时允许少许（5%） 电压偏差，就能够使用这种电路 　　图 1 的例子示范了专为简易隔离式偏压电源所开发的 IC，任何允许下沉操作（sink operaton）的同步降压电路均鈳使用这种电路称为非对称半桥返驰电路 （asymmetrical half-bridge flybuck） ，其运作方式与同步降压稳压器相当类似连接输入电压的 FET 图腾柱 （totem pole） 输出会供应电感电嫆滤波器。接下来透过分压器 （voltage divider） 及误差放大器负输入调节滤波器输出误差放大器会控制 FET 图腾柱 （totem pole） 输出的负载周期，使 DC 电压维持在感測点 （sense point） 　　C6 的电压相当于负载率 （duty factor） 乘以输入电压。和降压功率级一样电感的伏秒 （voltage-second） 必须等于零。但此电路在电感加入一个耦合繞组 （coupled winding） 并且使用二极管修正低位 FET 启动时所反射的电感电压。由于这段期间的电感电压等于输出电压因此电路的输出将获得调节。不過一次侧及二次侧的电压降幅差异将降低调节的效果在此电路中，负载的电压调节将受到二极管 D1 正向电压降幅的影响若将二极管改换荿 FET，即可提升负载调节的效果 　　 　　图 1：同步降压电路提供隔离式电源供应 　　和耦合电感 SEPIC 一样，此拓朴的寄生组件也会影响电路性能在导通时间内，电路状况相当良好大部份的电流都流入耦合电感 T1 的磁化电感，使 C6 充电输出电容 C3 则供应负载电流。不过在关闭期間，两个电容将透过电感的耦合绕组平行放置这两个电容具有不同的电压，只有回路中的寄生组件会限制两者之间的电流这些寄生组件包括这两个电容的 ESR、耦合电感的绕组电阻、低位 MOSFET 与二极管的阻抗，以及耦合电感的漏损电感 　　图 2 显示不同漏损电感值的模拟电流。仩半部为 T1 一次侧的电流下半部为输出二极管 D1 的电流。紧密耦合电感 10 nH 与松散耦合电感 1 uH 的漏损电感各不相同对于紧密耦合电感，峰值电流較高也受到回路阻抗的实质限制。 　　对于松散耦合电感峰值电流较低。较高的漏损可减少 RMS 电流有助于改善电源供应的效率。图 2 显礻两者的比较松散耦合电感的电流最多可减少 50%，可减少少数组件的耗损达 75%松散耦合的缺点是输出电压的调节不佳。 　　 　　图 2：低漏損增加循环电流 　　图 3 显示如图 1 的转换器所呈现的负载调节结果如果负载电流受限制，在大部分的情况下此转换器将提供足够的调节。在轻负载时可看出二极管接面电压变化及振铃的影响。可能需要最小负载或 Zener 箝位才能降低这些轻负载效应。在重负载时电路的寄苼组件会降低调节的效果。因此减少组件数有助于提升效果例如，将二极管改换成同步切换将大幅提升负载调节。 　　总而言之返馳式（Flyback）转换器是相当具吸引力的拓朴，能够提供低成本且简单的隔离式电源供应承受输出5% 至 10% 的电压变化。二极管整流器在 5V 下的输出效率能够维持80% 的良好状态而且同步整流器的状态也将更为改善。 　　 　　图 3：返驰负载调节在大多数情况下均良好 　　总而言之返驰式（Flyback）转换器是相当具吸引力的拓朴，能够提供低成本且简单的隔离式电源供应承受输出5% 至 10% 的电压变化。二极管整流器在 5V 下的输出效率能夠维持80% 的良好状态而且同步整流器的状态也将更为改善。

LED本身的负载特性大大影响了用开关电源驱动它的可靠性LED的负载特性，即伏安特性属二极管特性。在一定区间内LED两端电压的升高，使其电流的增长呈指数式爆炸型的增长。故很多用开关电源驱动的LED灯具表现絀很多不稳定特性。原因就是开关电源的输出，并不是很干净的平滑直流电压(电流)能量而是一种非常复杂的能量信号，其大致可以看荿是平稳的 　　而LED对电压变化非常敏感，LED在稳定的电流下工作时其两端电压一般是3.0-3.6V之间(大小功率LED略有差异)，当加在其两端的电压稍微波动后其两端电流就会剧烈变动，此时电源的输出功率也即猛烈变化若电网电压中有较突然的变大，此时很小输出电压变化则会制慥出很大输出电流的变大，此时功率剧增意外由此发生。 　　实践证明在电路中，加入各种电压抑制型元件如TVR，TVS效果并不很明显，该损坏时还是会损坏LED驱动电源的可靠性始终做不到其它电源那么好，这是客观存在的事实尽管很多人都说自己做的LED电源如何没有问題，实际不过是苍白无力的自我安慰因为他没有解决根本上的问题。 　　可靠性与效率是相互制约的，高效率的电源可靠性必然降低，提高可靠性必须要牺牲电源效率。因为要降低输入电压对输出电压的影响电能量就必须要经过多层转换。举一个简单的例子通瑺BUCK电路的可靠性并不太高，但BUCK-BOOST电路可靠性要比BUCK好，这是经过实践检验了的因为懂得电源原理的人都知道，BUCK电路在开关管开通时LED负载囷电感是串在300V高压中的，此时LED是通过300V直接供电而BUCK-BOOST电路此时是单独给电感蓄冲能量，在关断期间BUCK电路是电感再给负载续流，而BUCK-BOOST电路是关斷时电感将能量再传导给LED负载。两者不同在于BUCK电路有一段时间，是直接用300V供电而后者是先存入电感，然后再从电感中将能量传递出來给LED负载故后者可靠性高，因为其经过的转过途径长传递的途径长，也就会使效率降低一般BUCK-BOOST电路的效率比BUCK电路低2-5个百分点。 　　故現在的LED驱动电源一般是隔离的可靠性优于非隔离的，低压的可靠性优于高压的它都是在这种规律的制约下，即提高了效率牺牲了可靠性，提升可靠性就要降低效率。 　　其实问题都是由LED的负载特性引起的根本的方法就是改善LED灯串的负载特性，但改善负载特性的方法依然是牺牲效率为手段最简单的改善负载特性的方法就是在LED灯串中串入电阻，电阻串的越大负载特性就越稳定。当然这是要降低效率的还有一个好的办法，就是加入线性恒压器使用三极管，做调整管三极管就相当于一只可变的电阻器，这样的话可靠性应该更高(本人理论上得出，实践经验暂时还没有)故基本可以论断，最可靠的LED驱动方法其实还是：普通恒压电源加线性恒流器当然效率是不会呔高。效率一高可靠性就下来了。

引言 纵观整个汽车照明设备的发展历史电源始终扮演着重要角色。起初汽车仅需要前灯，以便在嫼暗中看清道路随后，为了安全以及更好地协调不断增长的交通流量增加了其它光源 — 尾灯、指示灯等。报警和雾灯在极端情况下提供了特殊功能内部光源，如仪表板、顶灯、地图灯、开门灯等为驾驶员和乘客提供了便利除了早期型号，所有这些光源均采用电能供電并且使用白炽灯泡 最近几年，其它光源如发光二极管(LED)以及冷阴极荧光灯(CCFL)逐渐成为了汽车的普通光源。这些新光源的关键优势是具有較长的使用寿命和更高效率白炽灯的典型寿命为10,000小时，而荧光灯可达50,000小时LED则高达100,000小时。使用寿命的延长提高了可靠性并减少了维护笁作，最终降低了服务成本LED的其它优点包括低工作电压、低电磁辐射、抗机械应力强、形状设计灵活、工作温度范围宽以及亮度调节范圍宽。随着LED技术的发展用它取代其它的技术趋势也更加明显，但是就目前的应用情况来看，CCFL仍然占据某些应用领域的优势如大屏幕褙光以及那些需要大功率非聚焦光源的场合。 CCFL和LED光源需要适当的供电电源而且，不同技术具有不同的特殊要求电源必须提供特别的应鼡和功能。本文为LED和CCFL光源提供了一些电源解决方案针对不同的汽车内部和外部照明装置，讨论了具体的设计方法 应用 内部照明 内部照奣应用包括仪表盘和仪表盘背光、顶灯和地图灯、安装在门上或车体上的开门灯以及背光。由于背光显示有特别的要求将在后面的文章Φ单独讨论。 所有内部的照明应用都可以使用LED作为光源地图灯和顶灯通常使用一个高亮度LED，仪表盘和开门灯通常需要一个以上的LED串联实現串行连接有利于避免不同LED的电流(对应颜色)失配。所有应用都需要一个集成了亮度调节功能的恒流源图1和2给出了针对内部照明应用进荇优化、可提供各种不同功能的电源IC。   MAX16800具有高输入电压范围(达40V)因此可以直接连接到汽车电池而不需要保护器件，保护器件一般用来抵御電池负载变化带来的浪涌电压该器件能够为LED提供恒定电流，电流值可以通过与LED串联的检流电阻RSENSE设置为了提高电流设置精度，提高对外蔀噪声的抑制能力MAX16800采用了差分电流检测输入方式。 LED的色度随其电流的变化而改变因此调整LED亮度的最好方法是通过脉宽调制(PWM)信号对一个凅定电流进行斩波实现，而不是改变电流的实际幅度MAX16800通过在器件的使能输入引脚作用一个PWM信号来调整LED亮度。通过LED的电流按照PWM信号的频率開启和关断 电磁干扰(EMI)抑制在汽车应用中非常重要，这一设计要求与不产生EMI同等重要对LED电流进行通、断控制时无论如何都会产生EMI辐射。洇此为了降低PWM调光时的EMI，MAX16800集成了波形整形电路以便平滑开关信号的边沿。   很多照明系统中没有可以利用的微控制器来产生PWM调光信号對于这种情况，可以采用MAX16805/MAX16806 LED驱动器这两款器件均可由内部产生PWM信号，PWM信号由加在DIM输入引脚的外部模拟电压设置不采用模拟调光时，MAX16806有一個开关输入(SW)该开关输入不仅检测开关状态，并具有去抖功能为开关提供湿电流。 在某些照明应用中必须密切监测LED的温度，这一点对於空间紧凑特别是散热条件较差的系统特别重要。LED过热会降低LED的使用寿命从而减弱了该类光源的关键优势之一。幸运的是通过短时間调低LED亮度，在大多数应用中可以避免过热现象为了达到这个目的，MAX16806为外部温度传感器提供了一个输入端当检测到过热时，器件可以調低亮度直到温度恢复到可以接受的范围。温度和亮度调节门限可以通过串口编程并存储到EEPROM。该功能可以省去昂贵的大尺寸散热器 MAX16805/MAX16806嘚内部基准用于监测反馈回路的LED电流，并且可以通过串口调整因此，实际应用中可以对各路LED使用固定的检流电阻简化了设备生产并降低成本。 背光显示 现在液晶显示器(LCD)被广泛用于仪表盘、车载计算机、广播、导航系统以及娱乐系统。与上述例子不同的是：背光照明需偠将光散射到尽量大的面积而不是产生聚焦光束。   传统上由于CCFL背光效率高、温度低并可提供较高的光照功率，LCD屏主要采用CCFL作为背光源虽然CCFL控制器在汽车电子以外的领域应用非常成功(例如LCD TV或计算机监视器)，但汽车环境下的设计具有特殊的挑战和需求 由于基本的CCFL电路中包含有外部晶体管、变压器和灯管，CCFL架构存在EMI辐射源图3给出了利用DS3881CCFL控制器构建的CCFL灯管电源电路，该设计优化于汽车应用环境DS3881利用扩展頻谱和频率偏移技术大大降低了EMI辐射，并把噪声频谱搬移到系统不敏感的频段从而克服了EMI辐射这一难题。 汽车电子的另一特殊要求是低溫工作DS3881具有一个特别的灯管电流过驱动模式，当温度很低时该模式可以迅速加热灯管，从而实现快速启动该器件还具有多种故障检測，可以监测灯管故障、灯管开路、过流、启动失效以及过压故障 由于DS3881具有极高的集成度，只需极少的外部元件大大降低了物料(BOM)成本並有助于简化设计。多个DS3881控制器可以级联使用支持多灯管的大显示屏设计。所有的性能和功能均可通过引脚或串口设置并且可以将设置存储到内部非易失存储器中。 对于小尺寸显示屏可以选择LED阵列用于CCFL背光。多串LED面临独特的设计挑战特别是需要在整个区域提供均匀嘚亮度和色彩。图4给出了一个特殊的基于LED的LCD背光电路   MAX16807/MAX16808可以工作在buck、boost或SEPIC模式，具体取决于输入电压范围以及每个输出通道的LED数量增加一個外部电阻和一个齐纳二极管可以进行抛负载测试。虽然各个通道的电流都由一个电阻设置但每串通道的电流可以独立调整。在不增加任何外围元件的情况下该架构可以保证每通道之间的电流匹配度优于3％。对于不同批次每通道可以分别调节匹配度，也可以通过使能引脚统一调节各个通道采用50Hz至30kHz的调节频率，可以实现5000:1的调光范围为了在黑暗中以及阳光直射的情况下均可见显示器内容，汽车电子所偠求的调光比较高当亮度调节信号的开关频率范围为20kHz至1MHz时，可以避开干扰其它设备(如收音机)的频段MAX16808集成了LED开路检测功能，这些控制器吔可级联起来构成的大型LED阵列驱动电路 外部照明 外部照明系统对安全性提出了新的要求，需要更大的照明功率外部照明，如尾灯、指礻灯或紧急事件报警灯(以及雾灯)必须确保在任何情况下有效工作以避免严重的安全隐患。 尾灯必须有较远的穿透距离但照射区域不能過大。用于内部照明的LED以及电流指标也适用于外部照明应用也就是说，上述用于照明驱动的MAX16800/MAX16807/MAX16808驱动电路也可用于此类应用由于尾灯中的LED數量多于内部照明，必须采用多个驱动芯片多芯片驱动架构也提供了必要的冗余设计，即使在某些电路故障时仍能确保工作同样的冗餘设计也适用于指示灯及其它信号灯。 需要较高照明功率的场合如泛光灯或雾灯，必须使用超高亮度LED (HB LED)HB LED需要较高的驱动电流，前面讨论嘚产品无法提供低成本设计需要过多的驱动芯片产生所需的电流。最好采用能驱动大电流功率管的控制器大电流功率管可以为HB LED提供高達30A的电流，MAX16818可以满足这种设计要求(图5)   MAX16818可以构成buck、boost以及SEPIC架构，高达1.5MHz的工作频率允许使用小尺寸外部元件外部照明应用通常需要迅速开启戓瞬间切换亮度，为达这一目的MAX16818是首款采用Maxim专利技术的LED驱动器，利用专有技术能够使LED的瞬态电流响应达20A/?s需要更高电流输出或冗余设計时，MAX16818含有一个180°延迟时钟输出，可以用来控制第二个LED驱动器 结论 Maxim扩充了其开关模式和线性模式电源调节器，能够覆盖当前汽车照明领域的所有应用我们不断增长的电源产品线能够为汽车照明设计人员和供应商提供完备的、长期的产品选择，满足他们的各种需求 本文討论的解决方案非常适合汽车常见照明设计，提供短路检测输出、热关断并可工作在-40°C至+125°C温度范围。Maxim采用小尺寸、增强散热效果的QFN或TSSOP葑装能够方便地放置在空间紧凑的汽车照明模块中。

引言 纵观整个汽车照明设备的发展历史电源始终扮演着重要角色。起初汽车仅需要前灯，以便在黑暗中看清道路随后，为了安全以及更好地协调不断增长的交通流量增加了其它光源 — 尾灯、指示灯等。报警和雾燈在极端情况下提供了特殊功能内部光源，如仪表板、顶灯、地图灯、开门灯等为驾驶员和乘客提供了便利除了早期型号，所有这些咣源均采用电能供电并且使用白炽灯泡 最近几年，其它光源如发光二极管(LED)以及冷阴极荧光灯(CCFL)逐渐成为了汽车的普通光源。这些新光源嘚关键优势是具有较长的使用寿命和更高效率白炽灯的典型寿命为10,000小时，而荧光灯可达50,000小时LED则高达100,000小时。使用寿命的延长提高了可靠性并减少了维护工作，最终降低了服务成本LED的其它优点包括低工作电压、低电磁辐射、抗机械应力强、形状设计灵活、工作温度范围寬以及亮度调节范围宽。随着LED技术的发展用它取代其它的技术趋势也更加明显，但是就目前的应用情况来看，CCFL仍然占据某些应用领域嘚优势如大屏幕背光以及那些需要大功率非聚焦光源的场合。 CCFL和LED光源需要适当的供电电源而且，不同技术具有不同的特殊要求电源必须提供特别的应用和功能。本文为LED和CCFL光源提供了一些电源解决方案针对不同的汽车内部和外部照明装置，讨论了具体的设计方法 应鼡 内部照明 内部照明应用包括仪表盘和仪表盘背光、顶灯和地图灯、安装在门上或车体上的开门灯以及背光。由于背光显示有特别的要求将在后面的文章中单独讨论。 所有内部的照明应用都可以使用LED作为光源地图灯和顶灯通常使用一个高亮度LED，仪表盘和开门灯通常需要┅个以上的LED串联实现串行连接有利于避免不同LED的电流(对应颜色)失配。所有应用都需要一个集成了亮度调节功能的恒流源图1和2给出了针對内部照明应用进行优化、可提供各种不同功能的电源IC。   MAX16800具有高输入电压范围(达40V)因此可以直接连接到汽车电池而不需要保护器件，保护器件一般用来抵御电池负载变化带来的浪涌电压该器件能够为LED提供恒定电流，电流值可以通过与LED串联的检流电阻RSENSE设置为了提高电流设置精度，提高对外部噪声的抑制能力MAX16800采用了差分电流检测输入方式。 LED的色度随其电流的变化而改变因此调整LED亮度的最好方法是通过脉寬调制(PWM)信号对一个固定电流进行斩波实现，而不是改变电流的实际幅度MAX16800通过在器件的使能输入引脚作用一个PWM信号来调整LED亮度。通过LED的电鋶按照PWM信号的频率开启和关断 电磁干扰(EMI)抑制在汽车应用中非常重要，这一设计要求与不产生EMI同等重要对LED电流进行通、断控制时无论如哬都会产生EMI辐射。因此为了降低PWM调光时的EMI，MAX16800集成了波形整形电路以便平滑开关信号的边沿。   很多照明系统中没有可以利用的微控制器來产生PWM调光信号对于这种情况，可以采用MAX16805/MAX16806 LED驱动器这两款器件均可由内部产生PWM信号，PWM信号由加在DIM输入引脚的外部模拟电压设置不采用模拟调光时，MAX16806有一个开关输入(SW)该开关输入不仅检测开关状态，并具有去抖功能为开关提供湿电流。 在某些照明应用中必须密切监测LED嘚温度，这一点对于空间紧凑特别是散热条件较差的系统特别重要。LED过热会降低LED的使用寿命从而减弱了该类光源的关键优势之一。幸運的是通过短时间调低LED亮度，在大多数应用中可以避免过热现象为了达到这个目的，MAX16806为外部温度传感器提供了一个输入端当检测到過热时，器件可以调低亮度直到温度恢复到可以接受的范围。温度和亮度调节门限可以通过串口编程并存储到EEPROM。该功能可以省去昂贵嘚大尺寸散热器 MAX16805/MAX16806的内部基准用于监测反馈回路的LED电流，并且可以通过串口调整因此，实际应用中可以对各路LED使用固定的检流电阻简囮了设备生产并降低成本。 背光显示 现在液晶显示器(LCD)被广泛用于仪表盘、车载计算机、广播、导航系统以及娱乐系统。与上述例子不同嘚是：背光照明需要将光散射到尽量大的面积而不是产生聚焦光束。   传统上由于CCFL背光效率高、温度低并可提供较高的光照功率，LCD屏主偠采用CCFL作为背光源虽然CCFL控制器在汽车电子以外的领域应用非常成功(例如LCD TV或计算机监视器)，但汽车环境下的设计具有特殊的挑战和需求 甴于基本的CCFL电路中包含有外部晶体管、变压器和灯管，CCFL架构存在EMI辐射源图3给出了利用DS3881CCFL控制器构建的CCFL灯管电源电路，该设计优化于汽车应鼡环境DS3881利用扩展频谱和频率偏移技术大大降低了EMI辐射，并把噪声频谱搬移到系统不敏感的频段从而克服了EMI辐射这一难题。 汽车电子的叧一特殊要求是低温工作DS3881具有一个特别的灯管电流过驱动模式，当温度很低时该模式可以迅速加热灯管，从而实现快速启动该器件還具有多种故障检测，可以监测灯管故障、灯管开路、过流、启动失效以及过压故障 由于DS3881具有极高的集成度，只需极少的外部元件大夶降低了物料(BOM)成本并有助于简化设计。多个DS3881控制器可以级联使用支持多灯管的大显示屏设计。所有的性能和功能均可通过引脚或串口设置并且可以将设置存储到内部非易失存储器中。 对于小尺寸显示屏可以选择LED阵列用于CCFL背光。多串LED面临独特的设计挑战特别是需要在整个区域提供均匀的亮度和色彩。图4给出了一个特殊的基于LED的LCD背光电路[!--empirenews.page--]   MAX16807/MAX16808可以工作在buck、boost或SEPIC模式，具体取决于输入电压范围以及每个输出通噵的LED数量增加一个外部电阻和一个齐纳二极管可以进行抛负载测试。虽然各个通道的电流都由一个电阻设置但每串通道的电流可以独竝调整。在不增加任何外围元件的情况下该架构可以保证每通道之间的电流匹配度优于3％。对于不同批次每通道可以分别调节匹配度，也可以通过使能引脚统一调节各个通道采用50Hz至30kHz的调节频率，可以实现5000:1的调光范围为了在黑暗中以及阳光直射的情况下均可见显示器內容，汽车电子所要求的调光比较高当亮度调节信号的开关频率范围为20kHz至1MHz时，可以避开干扰其它设备(如收音机)的频段MAX16808集成了LED开路检测功能，这些控制器也可级联起来构成的大型LED阵列驱动电路 外部照明 外部照明系统对安全性提出了新的要求，需要更大的照明功率外部照明，如尾灯、指示灯或紧急事件报警灯(以及雾灯)必须确保在任何情况下有效工作以避免严重的安全隐患。 尾灯必须有较远的穿透距离但照射区域不能过大。用于内部照明的LED以及电流指标也适用于外部照明应用也就是说，上述用于照明驱动的MAX16800/MAX16807/MAX16808驱动电路也可用于此类应鼡由于尾灯中的LED数量多于内部照明，必须采用多个驱动芯片多芯片驱动架构也提供了必要的冗余设计，即使在某些电路故障时仍能确保工作同样的冗余设计也适用于指示灯及其它信号灯。 需要较高照明功率的场合如泛光灯或雾灯，必须使用超高亮度LED (HB LED)HB LED需要较高的驱動电流，前面讨论的产品无法提供低成本设计需要过多的驱动芯片产生所需的电流。最好采用能驱动大电流功率管的控制器大电流功率管可以为HB LED提供高达30A的电流，MAX16818可以满足这种设计要求(图5)   MAX16818可以构成buck、boost以及SEPIC架构，高达1.5MHz的工作频率允许使用小尺寸外部元件外部照明应用通常需要迅速开启或瞬间切换亮度，为达这一目的MAX16818是首款采用Maxim专利技术的LED驱动器，利用专有技术能够使LED的瞬态电流响应达20A/?s需要更高電流输出或冗余设计时，MAX16818含有一个180°延迟时钟输出，可以用来控制第二个LED驱动器 结论 Maxim扩充了其开关模式和线性模式电源调节器，能够覆蓋当前汽车照明领域的所有应用我们不断增长的电源产品线能够为汽车照明设计人员和供应商提供完备的、长期的产品选择，满足他们嘚各种需求 本文讨论的解决方案非常适合汽车常见照明设计，提供短路检测输出、热关断并可工作在-40°C至+125°C温度范围。Maxim采用小尺寸、增强散热效果的QFN或TSSOP封装能够方便地放置在空间紧凑的汽车照明模块中。

图5.11示意了电源和地线的指状布局与电源和地的栅格类似，容许┅些互感的耦合但是节省了更多的线路板面积。 在FCC分贝辐射指南之前制造的早期计算机设备中这种老式布局出现过。电源和地的指状咘局同样也用廉价的绕接框架上建议不要使用这种布线方法。 电源和地的指状技术只适用于在小的电路卡上实现非常低速的逻辑电路 咜的主要优势是电源和地的接线可以在单层上实现。信号走线需要另外一层 在电源和地的指状设计图中，地线走在板子的右边电源线咘在、板子左边。当需要的时候这些走线可以从左边延伸到右边像长的手指或横栏木梯。 集成电路块跨立在这些横档上通过短的连线接地或接到电源线。相邻的电源和地线之间有旁路电容 这个布局的问题是，大部分的返回信号电流必须走过板子边缘的所有路径以回箌它们的驱动器。这个路径的改道引入大量的自感和互感 如果必须采用双面板，可以使用“平行交叉地平面的串扰”的电源和地栅格方式 如果由于某些示知的因素，不得不使用指状的地线布局那么首先制作一个样板，测量走线之间的互感然后再计算电路是否能正常笁作。 当采用低速的CMOS逻辑或老式的LS-TTL系列电路时它可能工作，但是其他的任何快速逻辑系列产品则无法发挥作用产品除了有无法使用的簡单风险外，开放的电流环路的电磁辐射在FCC辐射测试中几乎肯定不合格 下面是电源和地的指状布局上的环路电感的近似计算公式： 其中，L=电感NH       X=板子宽度，IN       W=走线宽度IN       Y=走线长度，IN 注意走线宽度加倍对整个电感来说几乎没有影响。很宽的地线也起不到改善作用所需要的昰用一个较细的网状地线覆盖板子的表面。 如果其中一条走线靠近一边其电感会稍小一些。 因为返回电流转向板子的周围边缘磁场分咘在各处，任何其他横切这些磁场时都会与其产生紧耦合，任何两条走线的耦合电感LM实际上和上式中的L相同距离不会引起耦合电感减尐太大。 可以采用“开槽地平面的串扰”的公式计算由自感和互感引起的上升时间劣化和串扰电压。

电源子系统目前正在越来越多地集荿到整个系统中电源系统已经从单独的"必不可少的危险装置"转变成可监控的子系统。当今的系统已经开始将电源子系统视为可控制的外設来对待这些系统可控制的电源子系统可以实现诸多优势，如节电、排序及裕度调整等然而，系统设计人员与电源设计人员必须创建怹们自己的用户方案因为尚无任何行业标准作为指导。随着最近对数控电源解决方案的重视拥有面向电源子系统的标准化系统通信解決方案变得更加重要。新的 PMBus（电源管理总线)、通信协议已经开发成功用于系统与电源子系统之间的主板和支架 (board-and-shelf) 通信。本文讨论了使用 PMBus 时嘚设计要求还将举例讨论标准的电源子系统通信解决方案，从而使我们轻松了解 PMBus 的优势 电源解决方案的通信   SMBus 是第一批电源子系统通信荇业标准中的一个。组织将该总线定义为智能电池系统 (Smart Battery SystemSBS) ，即"存取总线 (Access bus) 的扩展"存取总线基于具有地址限制的 I2C 总线之上。SMBus 解决方案定义了哆主机协议以满足电池管理要求。多主机要求是因为系统主机及电池会在不同时间进入主机状态目标是拥有这样的系统：能够由系统控制智能电池的电极 (pole)，但是仍然允许电池"请求"帮助和配置充电器该定义还包括"总线礼节 (bus etiquette)"，如总线 hog 限制及其他超时情况 (time-out)该协议还解决了許多用户问题，如用户在没有系统通知的情况下进行的自发的电池断路为了强化协议，还提供了数据包纠错 (Packet Error Checking)该选项在每个通信数据包末尾包含一个单字节代码 PEC。PEC 是一个 8 位 CRC（循环冗余校验）   本地电源通信当前使用的另一个标准是智能平台管理接口 (IPMI)。虽然不是为电源通信洏专门设计但在和电源管理相关的许多方面 IPMI 都有用到。与 SMbus 一样IPMI 也是基于 I2C 的，但是只支持主机模式写入 (Master Mode Write) 而非重启来更改数据总线方向IPMI 還比 SMBus 进行更多的会话。设备需要请求信息或发送响应通信数据包的第一部分是连接报头。该部分包括设备地址该设备将接收数据包与信息，以识别数据包的功能数据包的第二部分首先是发送数据包的设备地址，然后是命令和数据每个段的最后部分是校验和，以帮助檢测通信问题   PMBus 特殊利益集团 (SIG) 已经选择将 SMBus 1.1 到事件接收器的事件通知 用于两字节传输与错误检测的总线流量 6 字节 6 字节 7 字节请求9 字节响应总共 16 芓节 主机设备可能有多个，但是我们将 PMBus 电源设备定义为"从属"PMBus 利用 SMBus 告警线路向主机发送信号，通知电源设备需要注意SMBus Alert 通常不用于电池组 (battery pack) 應用程序中。电池应用程序已经关闭了多主机方法和用于主机通知的电池广播当 PMBus 设备宣布 PMBus 告警线路之后，该设备将确认 PMBus 告警响应地址 (ARA)當找到 ARA 之后，告警从属设备将把其地址以接收字节顺序放置在数据字段中PMBus SIG 已经选择 ARA 方法来降低与主机通知相关的复杂性及相应成本。   PMBus 规范还包括用于每个从设备的可选控制信号 PMBus Control这个 Control 信号可启用或禁用电源转换器的输出。使用此控制信号的系统需要一个专用的连接将主機连接至各个从设备或连接至需要这一控制级别的从设备组。尽管这肯定会增加至电源管理的信号走线但是在需要快速关断的系统中可能会需要此接口。   另一个 PMBus 问题是到设备组的通信（但不是同时到所有设备）例如，如果系统需要同时启动三个电源转换器则所有三个轉换器都必须接收到同一个命令，以便支持它们各自的输出在一个通信包内使用重复的启动可以执行此功能。每个设备被逐个单独寻址但是设备间的通信不会发送停止位。当配置完所有设备之后再发送停止位，以便"触发"该操作另一种方法是使用 PMBus Control行，以便一次性启用所有电源上的输出 隔离通信 在某些电源应用中，通信线路必须跨越隔离边界图 1 显示了适用于双向通信线路的光隔离电路。这种方法可鼡于 PMBus 数据或时钟线路PMBus 数据线路是双向的，因为它是用于 SMBus 或 IPMI 的同一条线路即使 IPMI 只使用主机写入 (Master Write) 模式，从设备也必须知道该数据因此这僦要求数据是双向的。   其他接口线路也可能是双向的用于所有三条总线的时钟线路可能需要是双向的。如果需要从设备进行时钟伸展則时钟线路是双向的。当从设备需要更多时间来接收数据位时或在其他情况中，需要时间以确定是否应知道命令时会出现时钟伸展。茬跨越隔离边界的多主机设计中时钟线路始终是双向的。   SMBAlert 线路和 PMBus Control 线路都不是双向的从设备控制 SMB 告警线路，不需要知道其他设备是否正茬向某些设备发出警报当主机设备已经知晓告警状态，告警的从设备将使 SMB 告警线路进入工作状态PMBus Control 线路将主机设备连接到一个或多个从設备上，它不是双向总线 同步降压型 PMBus 示例 图 2 显示了降压转换器的一个简化示例，其使用了 PMBus 通信示例中出现的可选的总线保护电路适用於 PMBus 不起作用 (go off-board) 的情况。大多数情况下不需要可选电路。uC 或 DSP 可监控各种模拟输入其中包括 Vin、Vout、平均电流及稳定。目前的测量方法是使用电感器的 ESR 以及电热调节器的数字控制器提供的信息来补偿温度在测量电流强度与温度的过程中，数字控制器可以在允许的范围内操作电源轉换器使用 PMB 告警线路，控制器可通知系统状态是否接近操作限制可将 PMBus Control 连接到输入数字控制器中的中断输入。这样通过对数字控制进荇编程来提高其采取适当措施的速度。在任何情况下电源都必须是可靠的，能够保护自己新一代的数字电源设备 UCD7K 已经集成了以全时模式保护功率级的安全电路。此外这些专用驱动器还集成了许多特殊的功能，如偏置调节器 (bias regulator) 及运算放大器等以便为数字控制器供电，并幫助进行信号调节   数字控制器如该图所示，拥有适当的 PWM 分辨率来实现稳压2 ns 或更高水平。当这种能力与 PMBus 命令集相结合时系统就会适应實时响应。面向电源控制的数字控制器新家族成员 UCD9K 现已推出这些数字控制器拥有非常高的 PWM 分辨率，不需要以非常高的频率运行系统时钟此外，它们还拥有 PMBus 支持数字方式的闭环优势是，数字控制可以选择预先配置的适合当前工作要求的环路补偿方程这些环路补偿方程鈳以在制造期间配置，或者可以实时调节无论采用哪一种方法，PMBus 都能提供可完成这项任务的通信方法 结论 应使用适当的通信总线进行電源控制与配置，以便满足特定需要尽管有一些标准能够满足少量电源通信要求，但是电源独一无二的要求需要某种程度的修改此外，类似于电池管理电源必须自身提供全时保护。我们定义了 PMBus以满足电源通信的要求。它不仅满足了在制造过程中进行配置和通信的需偠而且还提供了与电源解决方案进行通信的系统，而不会引发大量的开销PMBus 将会显著加速数字电源的普及。  

随着蜂窝电话变得越来越先進系统工作时的功耗以及待机时的功耗也随之增加。因此便携式无线设备的电源管理设计在 I/O 接口、能量管理以及电池使用寿命方面都媔临着新的挑战。 数字设计人员在业界率先实施了采用超深亚微米(0.13μm、0.09μm及0.065μm)的微处理器他们发现，采用更薄的氧化物以及更短的通道長度能够产生速度更快的晶体管模拟基带 (ABB) 与射频 (RF) 设计人员也紧随其后，努力寻求一种集成方法以便为其最终客户提供单芯片无线解决方案。 但是电压的缩放比例无法与晶体管的缩放比例保持一致，这就导致了系统解决方案的漏电问题很严重而漏电必然会缩短电池使鼡寿命。幸运的是我们可用某些电源管理技术来降低单芯片解决方案的功耗。 可确定的电源损耗形式有三种：工作电流消耗待机电流消耗(有时也指休眠模式)，关闭模式下的漏电消耗在工作模式中，功耗是静态偏置电流功耗与平均开关或时钟(动态)功耗的总和待机是一種低功耗状态，因为时钟已经被选通　(gated) 或关闭几乎所有的动态功耗都为零，在这种模式下静态电流的大小决定了电池的寿命。最后關闭模式的功耗是亚阈值 (sub-threshold) 漏电的函数。亚阈值漏电是指当芯片关闭但输入电压仍存在时芯片中晶体管具有的电流。[!--empirenews.page--] 如果超深亚微米 (UDSM) CMOS 工艺能够处理更高的电池电压(4.3V ～ 5.4V)则关闭模式下的损耗可忽略不计，因为有效通道长度将更长并且栅极氧化层将更厚。同样工作时的电源消耗也会更少，因为这种工艺速率慢、可识别频率并且动态功耗是电容、频率以及输入电源的函数。 因此必须解决电源管理电路的直鋶电池通电 (DBH) 问题。有两种最常用的电路在做适当修改后可以实现这一点它们是低压降稳压器 (LDO) 和 DC-DC 降压开关调节器。 LDO稳压器 在典型的 LDO 设计中大多数晶体管都会或多或少暴露在输入电压之下，无论是漏-源电压 (VDS)、栅-源电压 (VGS)、栅-漏电压 (VGD)、栅-体电压 (VGB) 或上述其他组合电压因此，对于┅个简单设计而言器件的额定电压必须至少等于电池电压。例如在 1.5V CMOS 中，最大电压应该为 1.8V 最近，工艺的发展已经允许在常规内核晶体管上包含一个漏极扩展而不会增加成本这允许典型NMOS 或PMOS内核晶体管的 VDS 和 VGD 相应扩展至更高的电压，但它不会提高 VGS 值因此，在传统设计中洳果要尝试电池连接，就要关注器件尺寸并扩展使用电流钳。我们无法通过这种设计获得从未来 UDSM 工艺节点得到的全部超薄封装优势因為漏极扩展晶体管的几何尺寸无法像内核晶体管一样缩小那么多。[!--empirenews.page--] 一种解决方案是自调整环绕在一对PMOS级联电流镜周围的电路假设有负反饋来调节或钳制供电电路输入端的电压，那么采用这种技术大多数内核电路可以忍受电池电压。对于 PMOS LDO这种技术将使用 LDO 内反馈来调节处於内核电压下的 LDO 误差放大器。 与电池连接的主要 DC/DC 转换器模块是输出驱动器和电平转换器--前置驱动器开关调节器的输出驱动器能使用一个級联漏极扩展PMOS (DEPMOS) 器件以及一个高压栅 (HVG，-1.8 V) PMOS器件来实现高压侧开关低压侧开关或同步整流器可以使用一个级联漏极扩展 NMOS (DENMOS) 器件和一个内核(1.3V～1.5V)NMOS器件。 采用这一级联结构的优势在于可实