復(fù)雜電路接地和供電的實(shí)用方法

本文將從功率傳輸?shù)慕嵌葋黻U述如何優(yōu)化復(fù)雜電路，以便能夠改善信號(hào)完整性，使各個(gè)功能模塊正確接地來實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這里將重點(diǎn)放在理解電路的需求和預(yù)先規(guī)劃最終的系統(tǒng)。

隨著電子產(chǎn)品尺寸變得越來越緊湊、功能越來越強(qiáng)大、用途更加廣泛，最終的系統(tǒng)級(jí)要求，以及移動(dòng)和固定設(shè)備的復(fù)雜性也變得日益突出。這種復(fù)雜性來源于要求在模擬和數(shù)字電路之間實(shí)現(xiàn)無線和有線的互連，需要系統(tǒng)工程師使用多個(gè)電源軌和混合電路設(shè)計(jì)。具有模擬和數(shù)字信號(hào)的電路一般傾向于設(shè)置幾個(gè)接地參考，這樣經(jīng)常導(dǎo)致電路雜亂無章，設(shè)計(jì)目的無法實(shí)現(xiàn)，表面上看上去很可靠的方案卻最終成為故障之源。

為了打牢復(fù)雜電路系統(tǒng)堅(jiān)實(shí)的工程化基礎(chǔ)，必須要使電源和接地解決方案主動(dòng)地去按照工程化要求實(shí)施來優(yōu)化性能和散熱問題，同時(shí)減少EMI輻射和信號(hào)的噪聲干擾。本文將從功率傳輸?shù)慕嵌葋黻U述如何優(yōu)化復(fù)雜電路，以便能夠改善信號(hào)完整性，使各個(gè)功能模塊正確接地來實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這里將重點(diǎn)放在理解電路的需求和預(yù)先規(guī)劃最終的系統(tǒng)，因?yàn)檫@兩個(gè)步驟的結(jié)果是有效地把圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的印刷電路板。在設(shè)計(jì)階段花一些時(shí)間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來考慮一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊，然后根據(jù)電流總是在一個(gè)循環(huán)回路中流動(dòng)的簡單公理來設(shè)置這些模塊及供電電路，這樣當(dāng)今系統(tǒng)工程師所面對(duì)的復(fù)雜電路就可以分解為許多可管理的部分，以便實(shí)現(xiàn)最終的可靠設(shè)計(jì)。

簡單電路的電源和接地分析

為了證明該理論，讓我們來看一個(gè)簡單的電路并考慮所示的連接。該基本電路包括三個(gè)要素，一個(gè)低壓差(LDO)線性調(diào)節(jié)器，一個(gè)微處理USB數(shù)據(jù)線接到音頻驅(qū)動(dòng)器，和一個(gè)揚(yáng)聲器，所有這些都由一個(gè)連接到某個(gè)計(jì)算主機(jī)的USB插頭供電。在本例中，USB到音頻驅(qū)動(dòng)器必須用3.3V供電。由于揚(yáng)聲器采用音頻驅(qū)動(dòng)器的輸出供電，所以音頻輸入驅(qū)動(dòng)器需要+3.3V LDO，其由USB連接器供電(+5V)，這似乎可以得到一個(gè)顯而易見的結(jié)論，即可將它們放置在圖1(a)原理圖所示的位置。

但是，在這種框架下，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作的電流在返回到電流源驅(qū)動(dòng)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓反彈，該電壓反彈會(huì)反過來作用于LDO并最終影響到USB連接器。在本例中，把USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音樂的基準(zhǔn)電壓會(huì)以音樂播放的速率反彈。由于揚(yáng)聲器電感所產(chǎn)生的相移會(huì)增大誤差，這將和由于電流提升產(chǎn)生的高音量混合在一起。電壓反彈也將導(dǎo)致紋波出現(xiàn)，這將降低揚(yáng)聲器發(fā)出的音質(zhì)。

有兩種方法可盡量減少紋波電流的影響。一是通過在非常接近USB到音頻IC處增加一個(gè)電容(C1)，使其接在VLDO節(jié)點(diǎn)到GND引腳之間，這樣一來該電容器被置于這些節(jié)點(diǎn)的中心位置。減少紋波應(yīng)該針對(duì)所感興趣的頻率，在本例中的情況下，為可聽范圍20kHz?？梢酝ㄟ^電容電流等式(1)來選取電容值以便盡量降低LDO的紋波電流，直至干擾完全去除。

這將減少到達(dá)DC的紋波，之后電流只引起電壓降，并且不會(huì)隨時(shí)間而變化很多(上面等式中的Δt應(yīng)該被視為可聽頻率12~14kHz的平均值)。通過在各IC之間使用較寬的電源和GND連接來限制由歐姆定律所得到的電壓降值(電流與電阻的乘積)，可控制誤差的大小。

圖1：一個(gè)簡單的電路表明電源電路會(huì)引起反彈，而且會(huì)返回電源。

GND和電源線的寬度應(yīng)當(dāng)根據(jù)可接受的損耗來確定。對(duì)于典型的1盎司銅印刷電路板，其電阻可以估算大約為每平方0.5mΩ。由于此問題不能總是通過添加電容去緩解，而應(yīng)該采用Figure 1(b)中的方案來從根本上解決。LDO是放在音頻驅(qū)動(dòng)IC的上方，可以使立體聲電流回路避免了敏感的音頻驅(qū)動(dòng)GND，這樣產(chǎn)生的GND電壓反彈不會(huì)影響音頻驅(qū)動(dòng)，只有小的紋波干擾出現(xiàn)。

復(fù)雜電路的電源和接地優(yōu)化策略

在上面的應(yīng)用案例中，只有兩個(gè)電流回路。現(xiàn)在，我們換一個(gè)更復(fù)雜的例子。下面考慮的是一個(gè)較為復(fù)雜的平板電腦系統(tǒng)。在本例中，平板電腦包括背光、觸屏、攝像頭、充電系統(tǒng)(USB和無線)、藍(lán)牙、WiFi、音頻輸出(揚(yáng)聲器，耳機(jī))、以及用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。當(dāng)然，這些應(yīng)用的大部分都需要不同電壓的電源軌以便更好地工作。

如圖2所示，該系統(tǒng)具有五個(gè)電源軌和兩種給電池充電的方法，這意味著至少會(huì)有五個(gè)電流回路。但相比直流電源，以及相關(guān)的各條電流路徑，實(shí)際應(yīng)用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，廣播和接收天線系統(tǒng)，所有這些都需要使用微處理器來協(xié)調(diào)和控制。展示的與電源和它們供電的模塊相關(guān)聯(lián)的電源路徑和GND路徑，有助于將電源和負(fù)載電流評(píng)估進(jìn)行匯總，從而實(shí)現(xiàn)以下目的：