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作者: Nicholaus W Smith 隨著電子產品尺寸變得越來越緊湊、功能越來越強大、用途更加廣泛，最終的系統(tǒng)級要求，以及移動和固定設備的復雜性也變得日益突出。這種復雜性來源于要求在模擬和數(shù)字電路之間實現(xiàn)無線和有線的互連，需要系統(tǒng)工程師使用多個電源軌和混合電路設計。具有模擬和數(shù)字信號的電路一般傾向于設置幾個接地參考，這樣經常導致電路雜亂無章，設計目的無法實現(xiàn)，表面上看上去很可靠的方案卻最終成為故障之源。 為了打牢復雜電路系統(tǒng)堅實的工程化基礎，必須要使電源和接地解決方案主動地去按照工程化要求實施來優(yōu)化性能和散熱問題，同時減少EMI輻射和信號的噪聲干擾。本文將從功率傳輸?shù)慕嵌葋黻U述如何優(yōu)化復雜電路，以便能夠改善信號完整性，使各個功能模塊正確接地來實現(xiàn)最終的系統(tǒng)設計。這里將重點放在理解電路的需求和預先規(guī)劃最終的系統(tǒng)，因為這兩個步驟的結果是有效地把圖紙轉變?yōu)樽罱K的印刷電路板。在設計階段花一些時間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來考慮一個復雜系統(tǒng)的每個功能模塊，然后根據(jù)電流總是在一個循環(huán)回路中流動的簡單公理來設置這些模塊及供電電路，這樣當今系統(tǒng)工程師所面對的復雜電路就可以分解為許多可管理的部分，以便實現(xiàn)最終的可靠設計。 簡單電路的電源和接地分析 為了證明該理論，讓我們來看一個簡單的電路并考慮所示的連接。該基本電路包括三個要素，一個低壓差(LDO)線性調節(jié)器，一個微處理USB數(shù)據(jù)線接到音頻驅動器，和一個揚聲器，所有這些都由一個連接到某個計算主機的USB插頭供電。在本例中，USB到音頻驅動器必須用3.3V供電。由于揚聲器采用音頻驅動器的輸出供電，所以音頻輸入驅動器需要+3.3V LDO，其由USB連接器供電(+5V)，這似乎可以得到一個顯而易見的結論，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，驅動揚聲器工作的電流在返回到電流源驅動器時會產生一個電壓反彈，該電壓反彈會反過來作用于LDO并最終影響到USB連接器。在本例中，把USB數(shù)據(jù)轉換為音樂的基準電壓會以音樂播放的速率反彈。由于揚聲器電感所產生的相移會增大誤差，這將和由于電流提升產生的高音量混合在一起。電壓反彈也將導致紋波出現(xiàn)，這將降低揚聲器發(fā)出的音質。 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處增加一個電容(C1)，使其接在VLDO節(jié)點到GND引腳之間，這樣一來該電容器被置于這些節(jié)點的中心位置。減少紋波應該針對所感興趣的頻率，在本例中的情況下，為可聽范圍<20kHz。可以通過電容電流等式(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DC的紋波，之后電流只引起電壓降，并且不會隨時間而變化很多(上面等式中的Δt應該被視為可聽頻率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1：一個簡單的電路表明電源電路會引起反彈，而且會返回電源。 GND和電源線的寬度應當根據(jù)可接受的損耗來確定。對于典型的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，而應該采用Figure 1(b)中的方案來從根本上解決。LDO是放在音頻驅動IC的上方，可以使立體聲電流回路避免了敏感的音頻驅動GND，這樣產生的GND電壓反彈不會影響音頻驅動，只有小的紋波干擾出現(xiàn)。 復雜電路的電源和接地優(yōu)化策略 在上面的應用案例中，只有兩個電流回路。現(xiàn)在，我們換一個更復雜的例子。下面考慮的是一個較為復雜的平板電腦系統(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)、藍牙、WiFi、音頻輸出(揚聲器，耳機)、以及用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器。當然，這些應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)具有五個電源軌和兩種給電池充電的方法，這意味著至少會有五個電流回路。但相比直流電源，以及相關的各條電流路徑，實際應用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個開關穩(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)調和控制。展示的與電源和它們供電的模塊相關聯(lián)的電源路徑和GND路徑，有助于將電源和負載電流評估進行匯總，從而實現(xiàn)以下目的： 1.考慮元件的額定功率和公差 2.確定連接寬度 3.確定對電壓降、噪聲引入或產生的敏感度 4.限制電流環(huán)路面積以減少EMI輻射 在圖2中，主電源軌已被顏色編碼，流經相應GND符號處的電流已被匹配到提供電流的電源軌。例如，每一個與電池充電不相關的部件(紅色)，有一個端電流返回到電池，但USB到音頻IC由3.3V BUCK調節(jié)器供電，而它是由5V Boost調節(jié)器供電的，之后接到電池。因此，GND電流從音頻IC按先后順序返回到各調節(jié)器，然后到達電池，音頻IC電流不會直接返回到電池。
圖2：典型的移動平板電腦示意圖模塊。 圖2所示的系統(tǒng)采用了一個鋰離子電池，通過USB充電器或無線功率發(fā)射器和接收器可以進行充電。電池電壓可被升壓到+ 5V(用于相機變焦馬達、針對微處理器的+3.3V降壓調節(jié)器、音頻和觸摸屏)，可降壓到+ 1.2V(用于微處理器、存儲器、藍牙和WiFi)，也可升壓到+ 7V用于相機閃光燈。顯然，電壓調節(jié)器應放在各自的負載附近，但最終由于產品形狀尺寸的限制，通常迫使設計者把負載放在距離電源較遠的位置，或在電路板周圍混雜放置。可以看出，每個電源需要支持多個負載，因此必須采用精心策劃的布線和布局方案來控制電流路徑和無意產生的EMI。這里是一些重要的布局考慮因素：i）可用的空間，ⅱ）機械方面的約束，ⅲ）電源和GND軌可接受的電壓降(負載電流和跡線/平面正方形數(shù)目的乘積)，ⅳ）電源和GND電流路徑，以及v）成本(PCB層數(shù)，組件)，ⅵ）數(shù)字或模擬信號的頻率，以及從電源直接返回路徑的可行性。 作為最后一個案例，這里介紹一個假設的具有機械約束的最終系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，用戶界面和整體尺寸會給設計帶來一些限制。圖3示出了每一個模塊的實際位置：
圖3：典型的移動平板電腦應用模塊和布局。 圖3中的每個電源都被顏色編碼以便區(qū)分，圖中最重要的部分是彩色標識的GND返回電流。因為多個電源是串聯(lián)的，導致每個最終負載和GND電流被迫以它們被加電時相同的順序去完成返回路徑。例如，電池為BUCK1.2V調節(jié)器加電，該調節(jié)器為微處理器供電。因此，流經微處理器的電流在返回到電池之前，將直接返回到BUCK1.2V調節(jié)器器GND端。如果未能預見到全部的電流回路和電流路徑完成的次序，就可能導致電路運行不穩(wěn)定，或者沒有足夠的GND電流返回，原因是這些問題沒有在電路布局中適當?shù)乜紤]到并加以控制。 例如，可以很容易地想到系統(tǒng)工程師會把藍牙和WiFi天線放置在相機和閃光燈的位置。由照相機與無線/藍牙模塊的位置顛倒產生的問題是，即使+ 1.2V電源仍然可正常地把電力分開來提供給那些需要的模塊，高頻藍牙和WiFi的GND返回電流會直接流過微處理器/存儲器模塊的下方，由此可把與天線相關的紋波電流和電壓反彈直接引入到高頻微處理器GND和存儲器存取。這將導致電池溫度的模-數(shù)轉換錯誤，可能會破壞揚聲器的立體聲音質，影響相機的分辨率，并導致存儲器錯誤，以至于數(shù)據(jù)丟失。通過比較，如圖中所畫部分所示，從BUCK1.2V調節(jié)器到每個獨立的負載和返回電源路徑(在這種情況下為BUCK1.2V)，WiFi /藍牙電源和GND電流將保持獨立并且采取并聯(lián)方式，避免了所有上述問題。 值得注意的是，上述所列出的各例中都假設采用一個單一的GND，并且被畫在一個銅平面上，該平面在一個PCB層中為連續(xù)和不間斷的。此接地平面由電路中所有的模塊共享，而不是隔分GND平面，或把它分離為多個子部分，之后使用組件來連接GND平面及控制電流路徑。特意的模塊布局已經開始得到實施，因為這種方法使用自然的電流流動可以使電路屏蔽免受不需要的GND反彈影響。任何承載電流或電壓(正電位)的線路必須要有一個返回路徑，而返回路徑應盡可能地接近正電位形式的信號，并且會被分配到源信號/電源軌下方的GND平面上。 在理解了電流的流動和最小化電流環(huán)路的概念后可以得到一個明顯的結論，單點接地方法是PCB設計的理想和首選方法，因為它顯著減少了元件數(shù)量，電路板層數(shù)和潛在的輻射：每段線路和模塊應該在PCB板上具有盡可能短的返回路徑。按照此指導原則，系統(tǒng)設計人員只需要從正確的走線寬度、組件和模塊的智能布局等角度來控制PCB設計。他沒有必要去檢查每一段線路，或搭建多個實驗板以獲得正確的電源、信號和GND方案。單一、不間斷的GND平面層帶來的另外一個優(yōu)點是該平面的連續(xù)性允許產生的熱量均勻地散布在整個PCB表面，從而實現(xiàn)較低的工作溫度。 結論 用于驅動任何電路的任何信號(或電源)，必須有適當?shù)穆窂椒祷氐皆搭^。電路設計人員必須考慮源和接地方案以正確地實現(xiàn)最終的系統(tǒng)方案。在實施階段考慮負載和負載類型是至關重要的，這樣可以使那些引起電壓反彈的電流路徑得到控制。在GND噪聲不影響PCB性能的區(qū)域，布局和定位那些電流通路是實現(xiàn)有效和高效電路設計的關鍵。 參考文獻 1.一個混合信號PCB板的分隔和布局，Ott, Henry，《印刷電路板設計雜志》（Printed Circuit Design Magazine），2001年6月。網(wǎng)絡版：2014年8月13日。 2.計算正方形數(shù)量：一種快速估算PWB線路阻抗的方法，Spataro, Vincent，EDN網(wǎng)絡（EDN Network），2013年4月12日。網(wǎng)絡版：2014年9月3日。 |
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