高速電路中的電源設(shè)計(jì)

? 高速電路中的電源設(shè)計(jì)大概分為兩種，一種是集總式架構(gòu)，一種是分布式架構(gòu)。集總式架構(gòu)就是由一個(gè)電源輸入，然后生成多種所需要的電壓。如圖1所示。這種架構(gòu)會(huì)增加多個(gè)DC/DC模塊，這樣成本不可控，PCB面積也需要增加，但集總式分布架構(gòu)可以提高整體電源轉(zhuǎn)換效率。

圖1 集總分布架構(gòu)

? 分布式架構(gòu)是先由一個(gè)模塊生成一個(gè)中間電壓，然后再去轉(zhuǎn)換成其他單板所需要的電壓，如圖2所示。第一級(jí)輸出可以要求有較大的噪聲和紋波，第二級(jí)電源輸出所需要的各種電源，這時(shí)必須考慮紋波和噪聲問題。但分布式也有一個(gè)問題就是涉及多級(jí)轉(zhuǎn)換，可能效率上不如集總式分布架構(gòu)。

? 高速電路設(shè)計(jì)中，建議采用分布式架構(gòu)。

圖2 分布式架構(gòu)

LDO電源類型

? 圖3是LDO內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。Vout由R1和R2兩個(gè)電阻進(jìn)行捕獲，然后送往運(yùn)算放大器A，在V+的電壓值與VREF進(jìn)行比較，差值經(jīng)過運(yùn)算放大器放大然后送給晶體管或MOSFET，以實(shí)現(xiàn)對(duì)Vout的調(diào)整，基本上是基于反饋原理，Vin的變化和負(fù)載的變化都會(huì)對(duì)Vout有影響。

? LDO電源芯片需要注意的一點(diǎn)就是壓差（Dropout），負(fù)載電流若是需要越大，其壓差應(yīng)該也越大。

? LDO電源芯片還有一個(gè)問題就是功耗過大，P = （Vin - Vout）*I，在設(shè)計(jì)PCB是最好在LDO底部打些過孔，以增加散熱。

? LDO芯片還應(yīng)注意一點(diǎn)是接地電流（GND Pin Current）IGND這指的是靜態(tài)電流，是LDO內(nèi)部所消耗的電流。

? 在計(jì)算LDO功耗時(shí)，P應(yīng)包括靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，動(dòng)態(tài)功耗PD = （Vin - Vout）*I，靜態(tài)功耗PS = Vin *IGND(此電流是內(nèi)部消耗的電流)

圖3 LDO內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

? 在設(shè)計(jì)電源時(shí)，應(yīng)將電源擺放在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，對(duì)于多層板，其相鄰層最好也不要走高速信號(hào)線，避免對(duì)于LDO芯片的芯片。

? LDO電源芯片的濾波建議采用ESR較大的鉭電容加ESR較小的陶瓷電容搭配或者單獨(dú)用ESR較小的陶瓷電容去濾除噪聲。不建議用鋁電解去代替鉭電容，因?yàn)殇X電解電容的ESR過大，這樣會(huì)超過LDO對(duì)ESR的最大值要求。

DCDC電源類型

? DC/DC電源的調(diào)制方式有PWM（脈沖寬度調(diào)制），PFM（脈沖頻率調(diào)制），以及PWM和PFM混合。目前市場(chǎng)上面是基于PWM居多。

? 已降壓為目的的DCDC電路稱為 BUCK電路，以升壓為目的的電路稱為BOOST電路，而以反相為目的的DCDC電路稱為BUCK-BOOST電路。

DCDC電源紋波噪聲

? 在高端芯片往往對(duì)電源的紋波和噪聲有一定的要求，紋波一般控制在電源電壓的1%之內(nèi)，噪聲控制在電源電壓的3%~5%之內(nèi)。DCDC的紋波和噪聲始終是電路設(shè)計(jì)的難題。

? 紋波是電源波動(dòng)成分中的低頻成分，一般頻率在5MHz之內(nèi)的頻段，產(chǎn)生自MOSFET的開關(guān)動(dòng)作。

? 噪聲指電源波動(dòng)中的高頻成分，一般頻率高于5MHz，MOSFET的開關(guān)噪聲，隨機(jī)白噪聲，以及周圍的干擾等。

? 紋波和噪聲的處理方法有兩種方式：1）吸收式濾波器，由磁珠與電容的組合電路構(gòu)成；2）反射式濾波器，由π，T，LC構(gòu)成的濾波電路，反射式?jīng)]有從根本上去除噪聲，而是將噪聲返回給源端。如下圖4所示。

圖4 LC濾波電路

DCDC電源輸出

? 1）有時(shí)候電感會(huì)產(chǎn)生嘯叫，這可能是通過電感的電流太大導(dǎo)致，改進(jìn)辦法，輸入增加上電緩起電路，輸出減少電感值。這個(gè)緩起電路可以利用RC進(jìn)行構(gòu)建。t = 2.2 RC。

? 2）在DCDC電路中，不應(yīng)簡單關(guān)注輸出電壓部分，還應(yīng)確保輸入電壓在上電過程不能太慢，也不能太快。

? 3）在設(shè)計(jì)電源時(shí)要確定大的電流回路，在此回路上，噪聲、紋波、電流都是最大的，需要注意，不能接入其他對(duì)上述三者影響較大的信號(hào)引腳。

保險(xiǎn)絲

? 1）額定電流是保險(xiǎn)管正常工作所能承受的最大電流。保險(xiǎn)管選型時(shí)不能選的太大，也不能選的太小，太大對(duì)電路無保護(hù)作用，太小對(duì)電路正常工作有影響。保險(xiǎn)絲在使用時(shí)應(yīng)該對(duì)額定電流降額到75%使用。在選擇保險(xiǎn)絲的額定電流時(shí)，應(yīng)該先計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)中所需要的最大電流IMAX（滿負(fù)載荷時(shí)），確定之后，選取保險(xiǎn)絲的額定電流為 IMAX /75%使用。

? 2）直流電阻 P = I2 R,如果功耗過大，要考慮散熱問題。

? 3）額定電壓是指保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)所能承受的最大電壓，一般應(yīng)大于整個(gè)系統(tǒng)輸入電壓。根據(jù)UL標(biāo)準(zhǔn)，在選擇保險(xiǎn)絲的額定電壓時(shí)，應(yīng)該降額80%，即若系統(tǒng)正常工作電壓為U，則保險(xiǎn)絲的額定電壓最少要為U / 80%；

? 4）壓降，若芯片要求的電壓為U，保險(xiǎn)絲的壓降為△U，那么電源的輸入電壓應(yīng)為U + △U才能滿足要去。

? 5）熱能值 I2t指保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)所需要的熱能。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《FPGA全程进阶---实战演练》第二十一章 电源常用类型：LDO和 DCDC的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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