淺議低功耗、低噪聲電源電路設(shè)計經(jīng)驗和感想

　　在做硬件系統(tǒng)設(shè)計時，需要選擇正確的電源供電芯片，無論是設(shè)計消費數(shù)碼電子還是無線傳感設(shè)備，需要權(quán)衡好產(chǎn)品的各個功能需求。在對噪聲抑制、耗電量、壓降、和電源電壓電流等指標(biāo)做出評估和劃定優(yōu)先級后，才可以進行電源IC的選擇。

　　每個信號路徑需要“干凈”的電源。電源管理是系統(tǒng)設(shè)計的最后部分。圖1顯示了如何為信號路徑供電的實例系統(tǒng)。

　　設(shè)計一個需要超低功耗的無線產(chǎn)品，一個3AH的電池要能工作5-6年，這個需要整個通信機制需要有省電的功能，也需要產(chǎn)品本身需要有超低功耗的能力，一個無線產(chǎn)品需要具有超低功耗需要從產(chǎn)品的幾個構(gòu)成部分來分析：

　　1）電源部分

　　2）RF部分

　　3）CPU部分

　　4）其他部分

　　這里結(jié)合我的工作做對電源部分的分析：

　　選擇電源芯片原則：

　　1）選擇工藝成熟，產(chǎn)品質(zhì)量好，性價比好的廠家產(chǎn)品。

　　2）選擇工作頻率高的產(chǎn)品，降低周圍器件，降低成本。

　　3）用封裝小的，但要考慮輸出電流的大小，一般都是小封裝小電流，大封裝大電流

　　4）選擇技術(shù)支持好的廠家，特別是小公司選擇電源器件時要注意，小公司別人不理睬你

　　5）選擇資料齊全的，最好有中文的，樣品可以申請的，最好有免費的，供貨周期短的，最好不 要老停產(chǎn)

　　以上是從大的層面來做分析，包括設(shè)計和采購等方面來考慮。

　　從技術(shù)要求的層面來分析：

　　LDO 器件選擇

　　LDO選擇4個要素：壓差、噪聲、靜態(tài)電流、共模抑制比。

　　僅僅從省電來說，主要看靜態(tài)電流，有的LDO靜態(tài)電流很小，1UA左右，就是LDO工作時，自身的耗電，這個參數(shù)在省電中很關(guān)鍵，越小肯定越好，但不可能為0，LDO的耗電有兩個指標(biāo)：一個為靜態(tài)電流，一個為SET_OFF電流，要區(qū)分哦?。∵€有壓差，這個好理解，壓差為0就是很理想的LDO。

　　我現(xiàn)在用的是S-1206系列，日本的，用日貨，沒有辦法，SOT23，路過的朋友介紹一個國貨給我，質(zhì)量要好的，還有R1180X系列，好像也是日本的。以上都是5ua以下的IQ值。

　　但是做RF的LDO，就需要考慮：噪聲抑制了，因為RF這玩意對噪聲的敏感度太高了。

　　電源抑制比PSRR （Power supply ripple rejection ratio））是反映輸出和輸入頻率相同的條件下，LDO輸出對輸入紋波抑制能力的交流參數(shù)。和噪聲（Noise）不同，噪聲通常是指在10Hz至 100kHz頻率范圍內(nèi)，LDO在一定輸入電壓下其輸出電壓噪聲的均方值（RMS），PSRR的單位是dB，公式如下：PSRR=20 log（△vin/△vout）

　　電源影響信號路徑性能

圖2，電源抑制比（PSRR）是對從輸入到輸出紋波/噪聲的衰減度量

　　并不意外的是，電源影響模擬信號完整性，這最終會影響整體的系統(tǒng)性能。提高信號路徑性能的一種簡單方法是選擇正確的電源。在選擇電源時，影響模擬信號路徑性能的一個關(guān)鍵參數(shù)是電源線上的噪聲或紋波。電源線上的噪聲或紋波可以耦合到運算放大器的輸出中，增加鎖相環(huán) （PLL）或壓控振蕩器（VCO）的抖動，或者降低ADC的SNR。低噪聲和低紋波的電源還能改善信號路徑性能。

　　電源線上的噪聲或紋波的來源具有多樣性。在系統(tǒng)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)和高頻信號本身會產(chǎn)生噪聲，PCB的印制線和連接線如果設(shè)計不當(dāng)，可以形成發(fā)射天線的效應(yīng)。數(shù)字IC，例如微控制器和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有很快的邊沿跳變速度，電流的大小變化很大，將產(chǎn)生電磁干擾輻射到系統(tǒng)中。IC硅片在內(nèi)部產(chǎn)生熱噪聲，這是由于在溫度高于絕對0攝氏度時分子的隨機運動和碰撞產(chǎn)生的。

　　有三種常用的方法來使信號路徑中的噪聲和紋波最?。悍浅Ｗ屑?xì)的系統(tǒng)PCB布局、恰當(dāng)?shù)碾娫磁月诽幚硪约罢_的電源選擇。盡管PCB的具體設(shè)計取決于系統(tǒng)，但就一般而言，PCB的布局需要考慮包括正確的器件布局、使信號路徑連接線的長度最小以及采用實體的地等。

　　對電源軌進行旁路處理是一種常用的方法，這種方法通常在模擬IC產(chǎn)品手冊中被推薦用于濾出噪聲。信號路徑IC可以具有分離的模擬、數(shù)字和PLL電源輸入，建議每個采用自己獨立的旁路處理。PLL電源和模擬電源對噪聲和紋波最敏感。旁路電容、阻容（RC）濾波器以及EMI抑制濾波器使進入信號路徑的電源噪聲最小化。

　　正確的電源選擇可以降低對信號路徑IC的噪聲和紋波影響。在選擇一種電源時，設(shè)計師首先在開關(guān)變換器和線性穩(wěn)壓器之間作一個基本選擇。開關(guān)轉(zhuǎn)換器提供較高的頻率，更高的頻率意味著較低的整體系統(tǒng)功耗。線性穩(wěn)壓器提供一種易于使用的解決方案，同時降低電源軌的噪聲/紋波。使用線性穩(wěn)壓器降低噪聲和紋波可以改善信號路徑性能。

　　毫無疑問，在便攜式無線產(chǎn)品里，即需要自身工作耗電電流小的，又需要PSRR大的LDO，但是目前市面上的LDO產(chǎn)品，能兼顧到這兩個指標(biāo)的產(chǎn)品很少，本人找到一個S1167的LDO，工作自身耗電為9UA，PSRR為70dB，應(yīng)該說是比較兼顧這兩個指標(biāo)的，但是是日本貨。

　　單單是考慮到PSRR，而IQ在45左右都無所謂的話，用AS1361是不錯的，PSRR可到90dB以上。

　　DC-DC電源選擇

　　對于DC-DC來說，主要考慮轉(zhuǎn)換的效率，紋波，輸入輸出電壓等。

　　在選擇DC/DC變換器時，電路設(shè)計要注意輸出電流、高效率、小型化，輸出電壓要求：

　　1. 如需求的輸出電流較小，可選擇FET內(nèi)置型；輸出電流需要較大時，選擇外接FET類型。

　　2. 關(guān)于效率有以下考慮：如果需優(yōu)先考慮重負(fù)荷時的紋波電壓及消除噪音，可選擇PWM控制型；如果同時亦需重視低負(fù)荷時的效率，則可選擇PFM/PWM切換控制型。

　　3. 如要求小型化，則可選擇能使用小型線圈的高頻產(chǎn)品。

　　4. 在輸出電壓方面，如果輸出電壓需要達到固定電壓以上，或需要不固定的輸出電壓時，剛可選擇輸出可變的VDD/VOUT分離型產(chǎn)品。

　　DC-DC工作方式PFM與PWM比較：

　　PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切換控制模式這三種控制方式各有各的優(yōu)點與缺點： DC/DC變換器是通過與內(nèi)部頻率同步開關(guān)進行升壓或降壓，通過變化開關(guān)次數(shù)進行控制，從而得到與設(shè)定電壓相同的輸出電壓。

　　PFM控制時，當(dāng)輸出電壓達到在設(shè)定電壓以上時即會停止開關(guān)，在下降到設(shè)定電壓前，DC/DC變換器不會進行任何操作。但如果輸出電壓下降到設(shè)定電壓以下，DC/DC變換器會再次開始開關(guān)，使輸出電壓達到設(shè)定電壓。PWM控制也是與頻率同步進行開關(guān)，但是它會在達到升壓設(shè)定值時，盡量減少流入線圈的電流，調(diào)整升壓使其與設(shè)定電壓保持一致。

　　與PWM相比，PFM的輸出電流小，但是因PFM控制的DC/DC變換器在達到設(shè)定電壓以上時就會停止動作，所以消耗的電流就會變得很小。因此，消耗電流的減少可改進低負(fù)荷時的效率。PWM在低負(fù)荷時雖然效率較遜色，但是因其紋波電壓小，且開關(guān)頻率固定，所以噪聲濾波器設(shè)計比較容易，消除噪聲也較簡單。

　　若需同時具備PFM與PWM的優(yōu)點的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。此功能是在重負(fù)荷時由PWM控制，低負(fù)荷時自動切換到 PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時具備PWM的優(yōu)點與PFM的優(yōu)點。在備有待機模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。

　　高頻的優(yōu)點 ：

　　通過實際測試PWM與PFM/PWM的效率，可以發(fā)現(xiàn)PWM/PFM切換的產(chǎn)品在低負(fù)荷時的效率較高。至于高頻方面，通過提高DC/DC變換器的頻率，可以實現(xiàn)大電流化、小型化和高效率化。但是，必須注意的是只有通過線圈的特性配合才可以提高效率。因為當(dāng)DC/DC變換器高頻化后，由于開關(guān)次數(shù)隨之增加的原因，開關(guān)損失也會增大，從而導(dǎo)致效率會有所降低。因此，效率是由線圈性能提升與開關(guān)損失增加兩方面折衷決定的。通過使用高效率的產(chǎn)品，相對可使用較低電感值的線圈，可以使用小型線圈，即使使用的是小型線圈也可得到相同的效率及輸出電流。

　　外接器件選擇：

　　除了需要關(guān)注DC/DC變換器本身的特性外，外接組件的選擇也不能忽視。外接組件中的線圈、電容器和FET對于開關(guān)電源特性有著很大影響。這里所謂的特性是指輸出電流、輸出紋波電壓及效率。

　　線圈：如果需要追求高效率，最好選擇直流電阻和電感值較小的線圈。但是，如果電感值較小的線圈用于頻率較低的DC/DC，就會超過線圈的額定電流，線圈會產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，引起效率惡化或損壞線圈。而且如果電感值太小，也會引起紋波電壓變大。所以在選擇線圈時，請注意流向線圈的電流不要超過線圈的額定電流。在選擇線圈時，需要根據(jù)輸出電流、DC/DC的頻率、線圈的電感值、線圈的額定電流和紋波電壓等條件綜合決定。

　　電容：輸出電容的容量越大，紋波電壓就越小。但是較大的容量也意味著較大的電容體積，所以請選擇最適合的容量。

　　三極管：作為外接的三極管，與雙極晶體管相比，因FET的開關(guān)速度比較快，所以開關(guān)損耗會較小，效率會更高一些。

　　DC-DC基本原理：

　　DC-DC電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。 通過下圖，我們來簡單的說說降壓型開關(guān)電源的工作原理。如圖所示，電路由開關(guān)K（實際電路中為三極管或者場效應(yīng)管），續(xù)流二極管D，儲能電感L，濾波電容 C等構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)閉合時，電源通過開關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間后，開關(guān)斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管D的正極，經(jīng)過二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個回路。通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關(guān)的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。

　　在開關(guān)閉合期間，電感存儲能量；在開關(guān)斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲能電感。二極管D在開關(guān)斷開期間，負(fù)責(zé)給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續(xù)流二極管。

　　在實際的開關(guān)電源中，開關(guān)K由三極管或場效應(yīng)管代替。當(dāng)開關(guān)斷開時，電流很小;當(dāng)開關(guān)閉合時，電壓很小，所以發(fā)熱功率U×I就會很小。這就是開關(guān)電源效率高的原因。

　　升壓式DC/DC變換器原理：

　　升壓式DC/DC變換器主要用于輸出電流較小的場合，只要采用1~2節(jié)電池便可獲得3~12V工作電壓，工作電流可達幾十毫安至幾百毫安，其轉(zhuǎn)換效率可達70%-80%。

　　升壓式DC/DC變換器的基本工作原理如圖所示。

　　升壓式DC/DC變換器原理：

　　升壓式DC/DC變換器主要用于輸出電流較小的場合，只要采用1~2節(jié)電池便可獲得3~12V工作電壓，工作電流可達幾十毫安至幾百毫安，其轉(zhuǎn)換效率可達70%-80%。

　　升壓式DC/DC變換器的基本工作原理如圖所示。

　　圖1：基于基本設(shè)計原則的布線模式；圖2：升壓電路的PCB設(shè)計示例。圖3：降壓電路的PCB設(shè)計示例

　　設(shè)計原則

　　印制線走線方式和元器件的放置常常會影響電路的性能。以下提出了接地線設(shè)計的四個原則：

　　1. 用平面布線方式（planar pattern）接地；

　　2. 用平面布線方式接電源線；

　　3. 按電路圖中的信號電流走向依序逐個放置元器件；

　　4. 實驗獲得的數(shù)據(jù)在應(yīng)用時不應(yīng)做任何調(diào)整，即使受板的尺寸或其它因素影響也應(yīng)原樣復(fù)制數(shù)據(jù)。

　　在設(shè)計中注意以上原則和要點，可以減少電路噪聲和信號干擾。除了以上的基本原則外，在設(shè)計銅線走線模式和元件放置時應(yīng)謹(jǐn)記以下兩點：布線之間會產(chǎn)生雜散電容;連線長度會產(chǎn)生阻抗。在設(shè)計中注意線間雜散電容和縮短布線長度有利于消除噪聲，減少輻射的產(chǎn)生。

　　在上面的幾個基本原則基礎(chǔ)上，設(shè)計工程師應(yīng)注意以下幾點（參見圖1）：

　　1. 根據(jù)電路原理圖進行元件的布局，輸入電流線和輸出電流線應(yīng)進行區(qū)別；

　　2. 合理放置元器件，保證它們之間的連線最短，以減少噪聲；

　　3. 在電壓變化很大和流過大電流的地方應(yīng)小心設(shè)計以降低噪聲；

　　4. 如果電路中采用了線圈和變壓器，必須小心進行連接；

　　5. 電路設(shè)計時，將元器件放置在同一方向，便于回流焊接；

　　6. 元器件間或元器件焊盤和焊盤間必須保證0.5毫米以上的間隙，避免出現(xiàn)橋接。

　　PCB設(shè)計示例

　　a. 升壓轉(zhuǎn)換器模式布線方式

　　在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電容（CL）的位置比其它元件更重要，參考圖2。建議在PCB設(shè)計時注意以下兩點：

　　1. 將輸出電容盡可能與IC靠近，盡量減小電流回路。

　　2. 在PCB板的背面用平面布線方法進行地線連接，板背面的接地線應(yīng)通過一個過孔與板正面的接地線相連。

　　b. 降壓轉(zhuǎn)換器布線方式

　　在降壓電路設(shè)計中，肖特基二極管的位置很關(guān)鍵，見圖3所示。在PCB設(shè)計中注意以下幾點：

　　1. 肖特基二極管接地點設(shè)計將影響輸出的穩(wěn)定性；

　　2. 肖特基二極管陰極連接線的長度將影響輸出的穩(wěn)定性；

　　3. PCB背面用大面積銅箔作為地，通過過孔與正面地連接。