|
作者：ni_labview 1. 開關電源這5V輸出有時還真不是東西，真扎手---- 經常聽兄弟們抱怨自己的設計的系統在實驗室或生產車間里調試老化時一點問題都沒有，可一到現查就不是頻繁復位就是采樣數據受干擾，真是干擾不斷。后來打開機箱看了之后發現其供電系統直接是用開關電源的5V輸出供電，正常情況下其輸出紋波僅有幾十毫伏，可到現場一看情況完全變了，壓根是幾倍的關系，而且串進來的噪音更是讓人害怕。于是這給我們帶來了好的機會，這5V開關電源如何用才能降低其噪音，最起碼能在降到對整個系統工作的影響達到我們所要求的范圍內。 那么目前我們怎么做才能達到這個要求的范圍，很簡單，充分利用LDO和開關電源上的電位器即可（圖1-1）。 
方法是在你的原始設計中電源上一定預留好LDO的位置，今天的LDO已經不是往日的78XX那樣個頭笨重，壓降甚大的年代，哪怕你的系統開關電源質量足夠好，別吝惜這該花的價錢，無非是不需要時我可以不焊接補上根短路線。 這其中涉及到一個LDO的選型問題，實際此時在LDO選取時無非要注意三個問題，一是你系統的最大耗電電流，二是想達到最低噪聲等級，除此之外就是如果你是 5V系統只有0.3V的壓差空間對于一般的5V輸出開關電源，這是因為開關電源的輸出一般可以在±1％內可調，也就是±0.5V的范圍，你總要給開關電源電壓輸出能力也留出點余量，這其中必須清楚一個概念就是LDO的壓差定義是當輸出電壓從器穩定電壓跌落2％時輸入與輸出之間的最小電壓差。 根據以上條件你可以在TI,ON,linear……等公司的網站上選取合適的LDO品種，品種極為豐富，在設計的時候一個關鍵點是必須通讀人家提供的 datasheets文件，特別是注意LDO輸出電容的選擇，到底可不可以用電解電容還是陶瓷電容或鉭電容，這東西可要看清楚些，否則LDO的噪音也是壓不住的。另一個關鍵點是看好人家LDO的PCB標準布線結構圖，不要輕視這個，比你花更多時間去創新要好得多，畢竟是人家廠商的芯片設計的延伸。事實上以往有眾多兄弟用TI的TPS系列低噪音LDO降不下來噪音，結果拿原廠DEMO板測試結果就是不一樣，最后查到的原因還是布板問題。 在 LDO的選擇上我們往往最好還要知道的工藝結構特點，當然這不是完全必須的。目前市面的LDO有雙極工藝的和CMOS工藝的。圖1-2所示的雙極性LDO 和CMOS LDO的基本拓撲結構，二者構成的區別說簡單就是一個是晶體管構成，一個是MOS管構成；二者的共同點都是基準，運放，調整管閉環結構。對于PNP晶體管的雙極性LDO其典型壓差約為0.3V，實際可能略有差別，但總體比CMOS LDO的要高。 另外CMOS LDO的壓差取決與其內部的MOSFET的導通電阻，這種類型器件的一個特點是壓差基本上與輸出電流同方向變化，即輸出電流越大壓差越大。CMOS LDO的一個好處是輸出電流加大只與MOSFET調整管有關，不會增加地線電流，而雙極性LDO則不具備此類優勢，當輸入輸出電壓接近時,PNP管的基極電流要增加，如果時電池供電系統要發生此種情況恰好是電池電壓最低的時候，實際上也是容易對電池造成損壞最大的時候。
當然我們也不能否認雙極性LDO落伍，實際不然，目前同功率等級的LDO中，雙極性LDO往往比CMOS LDO具有更低的輸出噪音，在一些噪聲敏感的的電路和一些傳感器激勵電路中噪聲的選擇往往是關鍵因素之一，這時選擇雙極性LDO有相當的優勢。試驗過在某 24位AD系統中由于合理利用雙極性LDO替代原來的CMOS LDO，有效數位至少增加了半位，當時知識水平所限搞不懂原因，只是單純認為雙極性LDO的調整管是電流驅動型其抗干擾能力要優于MOSFET電壓驅動，實際上這部分還要涉及到某些晶體管的頻響特性要優于MOSFET的頻響特性等原因。 2．電容很需要，但不是放在哪里都有效―――門窗漏風蓋被子依然冷 前面已經講過對于LDO的輸出電容品種很重要，實際上數值，位置也很重要，包括TI等公司在自己的LDO芯片說明手冊上都提出關鍵電容的布置圖和電容選型種類。很多人更關心的是其他芯片的電源線安放旁路電容，基本上是放個0.1uf的獨石電容加上一個10uf的鉭電容，而且離芯片布置距離也很近，但卻忽視了為其供電的LDO的輸出電容設計，認為給芯片放好旁路電容就可以，實際這是個錯誤的想法。對于電源系統的處理往往都要優于對芯片旁路的處理，否則后端再好的設計也是虛的。 腦電信號的采集目前算是微小信號采集中的一支了，但這個腦電信號的采集電路中更難做的卻是其電源系統，以至于到目前還有好多家的腦電信號采集供電還得意于電池技術的發展，實在不好做了索性用電池給系統供電，以至于產生了充電一晚上用一天的的笑話，否則設備根本無法正常工作。國外的類似系統能夠取得成功一個是源于人家掌握了好的運放技術，另一個就是其電源系統設計的功底絕非一招一式解決的，這其中包含著更多合理的芯片，結構，直至電容的選擇。打開一個好的涉及模擬系統設計首選最該看的就是電容的布置和應用，當然這不是絕對的。 3.去耦去耦――有感日本某儀器開關電源設計 很久以前國內某激光特種電源企業的設計高精度激光電源時常用AC220V風扇，沒問題，工作好好的。忽然有天某外企業要求用直流12V1A風扇的，設計工程師經過計算后在原系統的輔助開關電源變壓器上加了繞組做了整流輸出，獨立的，很簡單（圖1-3）。這本是UC3842開關電源沒什么太難的，工人在生產試驗的時候犯懶只是用12歐姆代替風扇，于是調試“成功”出貨了。結果拿到客戶那里一開直流風扇整個系統精度大打折扣，這對激光系統幾乎是致命的。在經過全面分析后得到結論是風扇系統供電的輔助繞組中干擾到電源控制回路的供電穩定性，風扇一起動實際上是紋波噪音都加大了，這可是個典型的耦合問題，不管是控制里的耦合還是電路里的耦合概念，它所產生的耦合絕對不是如圖1-4所示的去耦。
實際上面所說這類耦合干擾處理起來也好辦，直接用一個獨立的12V開關電源給風扇供電就沒有耦了。同樣類似現象的是在日本某儀器時發現其用了兩個20W的獨立開關電源，其中一個就是專門給風扇供電的，另一個是系統的供電，開始有人還在笑設計者這是“死心眼”，買個多輸出開關電源不就成了，后來逐漸理解了人家設計者的真實用意，可能也是設計規則。 目前市售的開關電源或DC/DC轉換器的輸出高頻開關噪聲，當這些噪聲混入模擬電路，放大電路中時將產生比IC芯片本身更打的噪聲。如圖1-4所示，為使噪聲源與電源交流分離，一般采用RC低通實現，也就是去耦。圖中所示的去耦電容C為達到效果一般47～100uf,R越大噪聲衰減越明顯，但同時也會引起壓降，在合適的數值內選擇，一般幾十到幾百歐姆。同時也應該注意RC的布線不要過長過繞電感諧振引起不必要的其他噪聲，前山打跑狼后山別招來虎。
4．別看老了，仍然有需求―――DC/DC輸入電容選擇 在我們設計工業變送器時經常要涉及到工業現場 24V或12V電壓的轉換問題，直接的想法就是如何利用DC-DC控制器設計我們的電源系統，我們可選的方案是如此之多。但往往出現一個問題，工業現場經常是AC/DC開關電源供電，當你的變送器在現場安裝好了之后回來一上電開關電源就保護，這時你會說自己的設計本身24V供電時也就百十毫安，不可能出現耗電過大或短路的情況。 經查你的變送器單個工作沒問題，你可以質疑人家的開關電源選的容量不夠是一方面，抗沖擊能力差等等說法，但不可否認我們是在不知不覺中犯的錯誤，我們大多忽視了電源輸入電容的選擇，或者在設計初期沒有細心去考慮這個問題，電容上電瞬間相當于“短路”的現象我們沒有注意，也就是這個沒注意當多個變送器電源一起上電時就讓開關電源的輸出產生保護，而且輸入電容容量越大這個現象越明顯。以往我們沒有選擇余地，但現在就不一樣了，今天我們可以選擇更多的國半的，ON的，凌特的還有TI的等公司的芯片，它們的輸入電容越來越小了，情況好多了。 除了選擇好 DC/DC芯片之外，我們還要關注DC/DC對整個電源系統所產生的干擾情況，許多DC/DC轉換芯片帶有和負載電流類似的脈沖電流，這個輸入電流和輸入電容的ESR決定了對整個電源系統的影響 。對于輸入電容來說，低的ESR是嚴格要求的，在有些場合還要在輸入電容上并聯相應容量的陶瓷電容消除DC/DC本身所產生的高頻噪聲對供電系統的影響。 5. 我叫隔離電源模塊，不叫隔離穩壓輸出模塊 這類東西誰都不陌生，他就是便宜的定電壓輸入隔離非穩壓單輸出系列DC-DC模塊，最常用的標稱的是5V輸入輸出的品種，經常用在通信隔離或模擬隔離上，性能也不錯。但我們用這類東西的時候要關注其如下幾點：一是其輸出負載一般不能小于10％（不同廠家略有區別），否則其輸出電壓高而且容易損壞。如果你用它來作通信芯片隔離供電，一定要看看負載多大電流，不行要并電阻消耗一些。二是如果你用你的5V系統給這個模塊供電，其作為開關類器件同樣產生噪音，此時你的系統也要承受這種干擾。建議LC網絡消除噪音，具體操作廠商的手冊上會提供一些參考。三是這類模塊基本都沒有輸出保護，建議其輸出增加帶過流保護的LDO芯片使用。 如果您是用它作模擬隔離電源，更多觀注其輸出紋波的影響，相應的線性調整是必須的同時還要增加響應的LC網絡濾掉其討厭的開關噪聲。很多對于噪聲要求苛刻的模擬電路在隔離時的供電不是單純的線性調整LDO就可以消除電源噪音，必須根據實際情況配合相應LC網絡甚至RC網絡消除不同頻率的噪音，如果有更高精度要求建議選擇真正紋波小的穩壓輸出型隔離模塊。 |
