电源布局的四大准则 系统的安全点就在这里

如同地震多发区的高层建筑，好的系统设计有赖于基础电路，直接影响到工作寿命和有效性。无论建筑多么宏伟或多么简陋，千里之堤毁于蚁穴的道理亘古不变(见图1和图2)，最危险的地方恰恰也是起初看起来微不足道的“细小裂缝”。

图1 海地总统府毁于地震

图2 白色墙面上一条清晰的黑色斜缝同样的道理，看起来不起眼的电源布局，一旦出现问题，往往会在系统内蔓延，从而损坏整个系统。没有模拟设计经验的人可能会说：“只不过是电源”，然后将任务分配给经验不足的团队成员，从而埋下安全隐患。正如经验丰富的建筑师不会在建筑结构完整性方面吝啬，尤其是地基，知识渊博的模拟设计师也一定不会轻视系统的电源和接地——这是电路正确工作必不可少的基础。板级布局的常见问题1 噪声滤波工作良好的电源配备到家庭、工厂以及大量电子设备，将交流电(AC)转换为电子设备所需的直流电(DC)。理想环境下，直流电没有噪声、纹波或来自于交流电的谐波。此外，作为直流电源参考点的GND是干净、无污染的。作为工程师，我们很快会知道我们的世界远非理想环境。所以我们不得不充分利用我们的技术和知识来摆脱局限，获得预期结果。我们必须首先理解工作环境，认识到越来越多的环境存在射频干扰(RFI)，而RFI来自于外部设备以及相同印刷电路板(PCB)的数字电路。我们首先从交流插头开始。大多数情况下，需要如图3所示的电力线滤波器。

图3 共模扼流圈滤波器 滤波器的核心目的是从两侧对设备进行对称保护，必须测试盒子的辐射以及测试对输入信号的敏感度。因此，滤波器滤除电力线对设备的辐射，也滤除设备对电力线的干扰。2 利用星形地降低噪声通常多层电路板具有单独的地层和电源层，以确保信号完整性。 在底板和每块电路板选择一个星形接地点是一个良好开端。有些经验不足的用户把接地视为灵丹妙药，以为所有糟糕的事情和干扰都会在GND消失。有些用户开始使用星形地，但却没有考虑每个通路到星形地的回路。这种错误描述如图4所示。

图4 系统接地反弹，每个特定电路的电流没有返回到相应的星形接地点 图4中，我们从星形接地点的5V电源开始。噪声较大的数字电路为+5V电源和地增加了更多噪声。我们看到敏感的模拟电路要求干净的3.3V供电，但并没有使用独立连线返回到+5V和地，偷懒了。电路中需要利用LDO产生干净的3.3V电源。实际上，线性稳压器总是严格保证其输出比其参考点或地高出3.3V。因此，如果发生地线反弹，如图中的红箭头所示，LDO正常工作，则+3.3V输出将跟随地线的反弹上下波动。我们必须反省一下，由于未能将模拟和数字线路独立连接至星形地，我们需要花费多少个小时来诊断故障?图5所示为连接模拟电路的一种较好方式。

图5 正确使用星形接地和电源，可以获得清洁的电源和地3 电源噪声去耦在星形接点，电源和地保持清洁(见图5)，表示电源和地在星形接点保持一致，电源和地之间没有差分噪声。理想情况下，电源输出在敏感频点的阻抗接近为零，或去耦电容具有低等效串联电阻(ESR)。将各种电路连接到地和电源的导线具有串联电阻和电感。我们利用这些电阻和电感隔离噪声与清洁电路。串联电阻和电感，以及每个电路模块输出端的去耦电容形成低通滤波器。如果不同电路模块的连线相对较短，则有必要增加分立电阻和电感。由于电容具有寄生电感，去耦比较复杂。实际应用中，用图6所示的串联RLC电路表示电容。电容在低频段起主导作用，在自激频率(SRF)以上，从图7所示每条曲线的凹点可以看出，电容的阻抗开始呈现为感性。由此可见，电容器只是在频率接近或低于其SRF时才具有去耦作用，在这些频点电容表现为低阻。

图6 电容具有固有的寄生成分

图7 6个不同大小电容及其自激点 图7所示为不同电容值的典型SRF性能。从曲线凹点可清晰看出SRF。从图中也可看出，相对于小电容，大电容在较低频段去耦性能较好(呈现为低阻)。可以利用免费的SPICE程序绘制电容曲线。4 集成开关电源的电路布局问题

图8 喜马拉雅系列开关电源MAX17501的原理电路 图8中，注意两个不同的接地符号，三角型表示存在大电流快速上升的开关脉冲。将高频、大电流脉冲与模拟小信号或参考地隔离开非常重要。图9所示，输入陶瓷滤波电容(C1)应尽量靠近器件的VIN引脚安装。该电容作为储能器，用以平滑电源脉冲；如果没有电容存在，电源脉冲可能蔓延到直流源。根据开关脉冲的上升时间，该输入滤波电容可由多个不同大小的电容组成，以覆盖较大的频率范围。VCC引脚的旁路电容也尽量靠近引脚安装，该电容可能也需要由多个电容组成。为实现高效散热，应在器件的裸焊盘下方提供多个热过孔。

图9 地、星形地及大电流环路之间的隔离(红色虚线内) 图9所示的电流环路是开关电源的重要区域。隔离两个接地点是稳定工作的关键，因为此处的微小变化对效率、噪声、电磁辐射(EMI)和射频干扰(RFI)具有致命影响。该环路包括脉冲电流，所以PCB走线必须非常短，并且尽量宽，以降低杂散电感。该电流环路的细小变化会造成布局好坏的天壤之别。通过努力实现最小环路，可将较差布局的性能改善20%；有时，只需将电感旋转90°即可转变布局质量。为减小过孔固有的串联电感，根据需要并联2个、4个或更多过孔。观察图9，我们可以看到几个圆形过孔。这是电源接地点(原理图中的三角型地)，连接至电路板底层地以及星形地。过孔圆中的X为地，用于稳定参考地和信号。这些过孔连接至电路板底层的独立接地区域以及星形接地区域。模拟小信号或参考地、开关电流的电源地必须保持分离。应该在开关信号最弱的位置(星点)将其连接在一起，通常是VCC旁路电容的返回点。包含加号的过孔圆将输出电压连接至反馈引脚，这需要尽量远离电感和电源环路。反馈电阻(R4)必须尽量靠近反馈引脚安装，因为该电阻与反馈引脚的输入电容形成一个低通滤波器，如图10所示。

图10 R4靠近输出引脚时，与反馈引脚(FB/VO)之间的引线充当了天线 缺乏经验的布线人员可能参考原理图，将R4靠近电源输出安装，如图11所示。由于电感是铁氧体磁芯的未屏蔽线圈，增强了磁场，将串扰注入到反馈引脚(橙色虚线圆)。使反馈引脚和R4之间的连线变为天线，拾取开关信号，所以这种串扰又进而造成工作不稳定。

图11 线间串扰可能是电容、磁场、静电或其组合 图11中，A为高电平来源，B为高阻接收者。通过移动B线或降低其阻抗来减小串扰。不要忘了，电源开关频率只有几十kHz，产生串扰和辐射的主要是其开关沿产生的谐波。谐波频率可扩展至数百MHz，需要加以控制。所以，图12连接电源输出到反馈引脚的方法比较好。我们使走线远离大电流环路(图9)和电感L1。R4将衰减橙色圆表示的所有干扰。使R4靠近MAX17501反馈引脚，改善了R4和内部电容的低通滤波。

图12 正确的信号连接将串扰降至最小 结 语 花费时间严谨设计电源将获得多种回报，最终形成高效、低噪声电源。使电源提供所有电路都需要的清洁电源和地，作为其他电路的坚实基础。另一好处是，良好的电源和地将使其他电路的故障诊断变得相对容易。在电源和地噪声较大的环境下诊断零星或间歇性故障，简直是场噩梦。经验丰富的工程师永远不会无视电源布局的重要性，低估或将其分配给经验不足的工程师。您永远不希望地基发生裂缝——这是重中之重。特别推荐互相鄙视的“模电”和“数电”约了一架，结果发现……

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