硬件電路工程師是做什么的？這篇文章不可不讀！

談?wù)勲娫?/p>

無疑電源設(shè)計(jì)是整個(gè)電路板最重要的一環(huán)。電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多么重要了。

在電源設(shè)計(jì)我們用得最多的場合是，從一個(gè)穩(wěn)定的“高”電壓得到一個(gè)穩(wěn)定的“低”電壓。這也就是經(jīng)常說的DC-DC(直流-直流)，而直流-直流

中用得最多的電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種叫LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器，我們后面說的線性穩(wěn)壓電源，也是指它)，另一種叫PWM(脈寬調(diào)制開關(guān)電

源，我們在本文也稱它開關(guān)電源)。我們常常聽到PWM的效率高，但是LDO的響應(yīng)快，這是為什么呢?別著急，先讓我們看看它們的原理。

下面會(huì)涉及一些理論知識，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎(chǔ)了。

一、線性穩(wěn)壓電源的工作原理

如圖是線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中，Vo經(jīng)過兩個(gè)分壓電阻分壓得到V+，V+被送入放大器(我們把這個(gè)放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負(fù)端Vref是電源內(nèi)部的參考電平(這個(gè)參考電平是恒定的)。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控制MOSFET的阻抗。Va變大時(shí)，MOSFET的阻抗變大;Va變小時(shí)，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。

現(xiàn)在我們來看Vo是怎么穩(wěn)定的，假設(shè)Vo變小，那么V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導(dǎo)致MOSFET的阻抗變小，這樣經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差將變小，于是將Vo上抬來抑制Vo的變小。同理，Vo變大，V+變大，Va變大，MOSFET的阻抗變大，經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。

二、開關(guān)電源的工作原理

如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開關(guān)電源采用了用一定占空比的方波Vg1，Vg2推動(dòng)上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1為高，Vg2為低;上MOS管打開時(shí)，下MOS管關(guān)閉;下MOS管打開時(shí)，上MOS管關(guān)閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器，因此方波電壓經(jīng)過濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓Vo。Vo經(jīng)過R1、R2分壓后送入第一個(gè)放大器(誤差放大器)的負(fù)端V+，誤差放大器的輸出Va做為第二個(gè)放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個(gè)有一定占空比的方波，經(jīng)過門邏輯電路處理得到兩個(gè)反相的方波Vg1、Vg2來控制MOSFET的開關(guān)。

三、線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的比較

懂得了線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的工作原理之后，我們就可以明白為什么線性穩(wěn)壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態(tài)響應(yīng)，但是效率差;而開關(guān)電源噪聲較大，瞬態(tài)響應(yīng)較慢，但效率高了。

線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應(yīng)快(當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，補(bǔ)償快)。但是因?yàn)檩斎牒洼敵龅膲翰钊柯湓诹薓OSFET上，所以它的效率低。因此，線性穩(wěn)壓一般用在小電流，對電壓精度要求高的應(yīng)用上。

而開關(guān)電源，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數(shù)很多，且其反饋環(huán)路長，因此其噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。但是根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，MOSFET處于完全開和完全關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動(dòng)MOSFET，和MOSFET自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出(理論上L、C是不耗能量的，盡管實(shí)際并非如此，但這些消耗的能量很小)。

先寫part 8，待到圖片能上傳再添補(bǔ) part 6，7做為描述開關(guān)電源原理，以及LDO與開關(guān)電源比較之用。

這一部分澄清高速信號認(rèn)識的一些誤區(qū)。

一、高速看的是信號沿，不是時(shí)鐘頻率。

1) 一般而言，時(shí)鐘頻率高的，其信號上升沿快，因此一般我們把它們當(dāng)成高速信號;但反過來不一定成立，時(shí)鐘頻率低的，如果信號上升沿依然快的，一樣要把它當(dāng)成高速信號來處理。根據(jù)信號理論，信號上升沿包含了高頻信息(用傅立葉變換，可以找出定量表達(dá)式)，因此，一旦信號上升沿很陡，我們應(yīng)該按高速信號來處理，設(shè)計(jì)不好，很可能出現(xiàn)上升沿過于緩慢，有過沖，下沖，振鈴的現(xiàn)象。比如，I2C信號，在超快速模式下，時(shí)鐘頻率為1MHz，但是其規(guī)范要求上升時(shí)間或下降時(shí)間不超過120ns!確實(shí)有很多板I2C就過不了關(guān)!

2)因此，我們更應(yīng)該關(guān)注的是信號帶寬。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，帶寬與上升時(shí)間(10%~90%)的關(guān)系為 Fw * Tr = 3.5

二、示波器選擇

1) 很多人注意到了示波器的采樣率，沒有注意到示波器的帶寬。但往往示波器帶寬是一個(gè)更重要的參數(shù)。一些人以為只要示波器采樣率滿足超過信號時(shí)鐘頻率的兩倍就行了，這是大錯(cuò)特錯(cuò)。錯(cuò)誤的原因是錯(cuò)誤的理解了采樣定理。采樣定理1說明了當(dāng)采樣頻率大于信號最大帶寬的兩倍，就能完美地恢復(fù)原信號。但是，采樣定理指的信號是帶限信號(帶寬是有限的)，與現(xiàn)實(shí)中的信號嚴(yán)重不符。我們一般的數(shù)字信號，除了時(shí)鐘之外，都不是周期的，從長時(shí)間來看，其頻譜是無限寬的;要能捕獲到高速信號，就不能對其高頻分量太多的失真。示波器帶寬指標(biāo)與此息息相關(guān)。因此，真正要注意的依然是用示波器捕獲的信號的上升沿失真在我們可接受的范圍。

2) 那么選多高帶寬的示波器才合適呢?理論上5倍于信號帶寬的示波器捕獲的信號比原信號損失不到3%。如果要求損失更寬松，那就可以選擇更低端的示波器。用到3倍于信號帶寬的示波器應(yīng)該能滿足大多數(shù)要求。但是不要忘了你探頭的帶寬!