电源设计的技术

　　Q1：如何来评估一个系统的电源需求

　　[2]Answer：对于一个实际的电子系统，要认真的分析它的电源需求。不仅仅是关心输入电压、输出电压和电流，还要仔细考虑总的功耗、电源实现的效率、电源部分对负载变化的瞬态响应能力、关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许的电源纹波，还有散热问题等等。功耗和效率是密切相关的，效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对降低整个系统的功率预算就非常有利了(对比LDO和开关电源，开关电源的效率要高一些)。值得注意的是，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平。

　　至于负载瞬态响应能力，对于一些高性能的CPU应用就会有严格的要求，因为当CPU突然开始运行繁重的任务时，需要的启动电流是很大的，如果电源电路响应速度不够，造成瞬间电压下降过多，导致CPU运行出错。

　　一般来说，要求的电源实际值多为标称值的±5%，所以可以据此计算出允许的电源纹波，当然要预留余量的。

　　散热问题对于那些大电流电源和LDO来说比较重要，通过计算也是可以评估是否合适的。

　　Q2：如何选择合适的电源实现电路

　　Answer：根据分析系统需求得出的具体技术指标，可以来选择合适的电源实现电路了。一般弱电部分，包括了LDO(线性电源转换器)、开关电源电容降压转换器和开关电源电感电容转换器。相比之下，LDO设计最易实现、输出纹波小，但缺点是效率有可能不高、发热量大、可提供的电流相较开关电源不大等等。而开关电源电路设计灵活、效率高，但存在纹波大、实现比较复杂、调试比较烦琐等缺点。

　　Q3：如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数

　　Answer：很多的未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理，比如担心开关电源的干扰问题、PCB layout问题、元器件的参数和类型选择问题等。其实只要了解了，使用一个开关电源设计还是非常方便的。

　　一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了，还简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些。

　　开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路、控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的话，对瞬态响应能力是会有很多影响的。

　　而输出部分设计包含了输出电容、输出电感以及MOSFET等等，这些元件的选择基本上要满足一个性能和成本的平衡：高的开关频率就可以使用小的电感值(意味着小的封装和便宜的成本)，但是较高的开关频率会增加干扰和增大MOSFET的开关损耗，使效率降低;低的开关频率带来的结果则恰好相反。

　　对于输出电容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的：选择小的ESR可以减小输出纹波，但是电容成本就会增加(好的电容会贵嘛)。开关电源控制器驱动能力也是需要注意：过多的MOSFET是不能被很好驱动的。

　　一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴。

　　Q4：如何调试开关电源电路

　　Answer：有一些经验可以共享给大家：

　　1: 电源电路的输入输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以在做到电源电路后先调试，避开后面电路的影响。

　　2: 一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围，开关电源工作就会不正常，这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别需要注意的是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的。

　　接地技术的讨论

　　Q1：为什么要接地?

　　Answer：接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭受雷击而采取的保护性措施，方法是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段：当某种原因引起的相线(如电线绝缘不良，线路老化等)和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，接地后由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信及其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，实现大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地;随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注(接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性)。此外，高速信号的信号回流技术中也引入了 “地”的概念。

　　Q2：接地的定义

　　Answer: 在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’;对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架;对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”(注意要求是”低阻抗”和“通路”)。

　　Q3：常见的接地符号

　　Answer: PE,PGND,FG-保护地或机壳;BGND或DC-RETURN-直流-48V( 24V)电源(电池)回流;GND-工作地;DGND-数字地;AGND-模拟地;LGND-防雷保护地

　　Q4：合适的接地方式

　　Answer: 接地方式很多，有单点接地、多点接地以及混合类型的接地。单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路、不同功能模块之间接地区分以及低频(f<1MHz)电子线路。当设计高频(f>10MHz)电路时就要采用多点接地或者多层板(完整的地平面层)。

　　Q5：信号灯回流和跨分割的介绍

　　Answer：对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电路作为回流到地的途径，因此如何处理这个信号回流就变得非常的关键。

　　第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，因此在PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。

　　第二，对于一个高速信号来说，提供较好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层(或电源层)为参考来计算的。如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，因为不连续的阻抗会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层或者在高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

　　第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，并非所有信号都严格要求不能跨越电源分割，低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予考虑。对高速信号就要认真检查，尽量通过调整电源部分的走线避免跨越。(这是针对多层板多个电源供应情况说的)

　　Answer：对于一般器件来说，就近接地是最好的。采用了拥有完整地平面的多层板设计后，一般信号的接地就非常容易了，此时的基本原则是保证走线的连续性、减少过孔数量、靠近地平面或者电源平面等等。

　　Q6：为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开?

　　Answer：模拟信号和数字信号都要回流到地。因为数字信号变化速度快，会在数字地上引起很大的噪声，而模拟信号是需要一个干净的地来参考工作的，如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。

　　一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线或者单点连接在一起，总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地很干净的话就可以连接在一起。

　　Q7：单板上的信号如何接地?

　　Answer：对于一般器件来说，就近接地是最好的。采用了拥有完整地平面的多层板设计后，一般信号的接地就非常容易了，此时的基本原则是保证走线的连续性、减少过孔数量、靠近地平面或者电源平面、等等。

　　Q8：单板的接口器件如何接地?

　　Answer：有些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器、网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计的不好也会影响到正常工作，例如网口互连会有误码、丢包等现象，还会成为对外的电磁干扰源，将板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以抑制信号地上噪音传到接口地上来。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。

　　Q9：带屏蔽层的电缆线的屏蔽层如何接地?

　　Answer：屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种的噪声，如果将屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，这就是为什么设计不好的电缆线一般都会是电磁干扰的最大噪声输出源。当然将屏蔽层接到接口地上的前提是接口地也要非常干净。

　　编辑本段数字电源管理应用

　　很多厨房和车库电器、电动工具以及其他小家电中所用的传统通用型电动机一般都不能精确地控制速度。这些电动机基本上只有关和开两种状态，这对于某些应用来说确实是足够了。但在其他场合，通过数字电源管理系统来进行精确变速控制的电动机拥有很多巨大的优势，包括[3]：

　　-更低的功耗

　　-更高的安全性

　　-更长的工具寿命

　　-更便于使用

　　-更先进的操作控制。

　　-将电器开启时产生电涌从而导致电路断开的风险最小化

　　成本曾经是在各种消费类电器中实现智能电机控制的主要障碍。本文将介绍一种由ZiLOG公司设计开发的新型高效低成本变速通用电机控制方案，以及这一方案是如何利用新型片上集成数字模块和先进的模拟硬件模块，以最少的外部组件和固件实现速度控制和故障停机功能的。

　　解决成本与复杂性问题

　　电子行业流行这么一个“传统”观点：能进行直接准确变速控制的系统所需的组件实在太贵了，根本无法用于价格敏感型消费电器中。这种观点认为，与其开发并执行这样的控制系统，使最终产品零售价格升高并导致产品对人们失去吸引力，还不如保持电器的低成本，放弃智能电机控制的优势。另外，由于快速过电流检测、故障控制、系统可靠性和效率等问题，电机控制应用还存在着棘手的工程难题。

　　由于对快速准确回路控制的需求以及通过数字电源管理执行智能电机控制所需要组件的数量和成本等问题的存在，这些控制器应用给MCU树立了标准，要求它必须提供一流的性能和丰富的综合型先进功能以简化通用电机控制领域的闭合回路控制设计。

　　近几年专门用于电机控制的微控制器(MCU)已经问世，集成了8 位计算引擎、模数转换器(ADC)、比较器、计数器、定时器等电路来控制电机速度，满足负载的功率要求。由于快速而精确的闭环控制以及所需支持组件的数量少和成本低，这种控制器在对 MCU 的预期方面树立了新标杆。MCU生产商所面临的问题是怎样在确保集成恰当的外部组件和功能的同时还能保持产品价格对消费者的吸引。来源:大比特半导体器件网

　　一种最佳方法

　　图1展示了一个面向先进电机控制尤其是通用电机控制应用的低成本高效型数字功率管理方案。其中的片上模拟外围设备都是由ZiLOG开发并集成到它的一款8位MCU上的。

　　ZiLOG 8位MCU框架图

　　图1 ZiLOG 8位MCU框架图

　　在这个例子中，MCU的10位ADC能够提供多达四个单端/差分通道和一个可选的 1X 差分输入缓冲区。另外，ADC 模块中还集成了一个片上低功率运算放大器，从而不再需要另外的外部组件就能够获得高精度电流测量。结合这个多通道 ADC，MCU 的两个具有脉宽调制(PWM )以及采集与比较功能的增强型16 位定时器模块可以同时操作两个负载(即电机)，同时，直接 LED 驱动输出可用来在出现预设事件时触发 LED，而不需要额外的硬件。该方案还由其它特征，包括一个模拟比较器、一套用于确保可靠性的“防故障”振荡器机制、一个片上集成温度传感器和高达128B 的非易失性数据存储空间(NVDS)。图 2 是款使用了ZiLOG MCU 的通用电机的结构图。

　　通用电机控制系统框架图

　　图2 通用电机控制系统框架图

　　电机控制的主要功能

　　这个特别的数字公里发管理方案提供了通用电机所需的主要控制功能：“软启动”、过电流故障保护和使用片上比较器测定交流电路过零点以确保 MCU 输出信号同步的能力。我们来逐条分析一下，并看看该方案是如何满足这些要求的：

　　(1)软启动

　　“软启动”功能确保在电机打开时功率逐渐地输出到电机。通过使用 MCU 的单 I/O 输出控制 TRIAC 的触发/点火角来实现可调控制。这种功能最大程度地减少了启动时转子的过冲和不平稳运动，从而减少电机磨损，防止需量的突变，避免电路断开导致刚开启或正在运行的电器都被关断的情况。

　　ZiLOG的软启动实现方法采用了一个定时器和重新载入定时器高低字节时使用的一个查找表。在交流信号的一个半周期内可以实现二十个均匀分布的触发角。通过这种方法可以调节 TRIAC 触发角(如图3)，以调整输送给电机的功率。这种软启动方案使用一个10 微秒输出脉冲宽度触发TRIAC，在此期间触发角从 18°上升至162° (一个半周期的 10% 至 90%)，此时电机过渡到正常满速运转。

　　(2)过电流故障保护

　　大多数电机控制都需要过电流故障保护。过电流故障的原因有很多，例如电机绕组短路、电机引线短路、机械驱动与连接装置故障、功率器件损坏、接线错误等。严重的过流故障会导致电器损毁，因此在出现过电流故障时，不管原因是什么，都必须立即停止电机转动以防损坏。虽然保护电路必须动作迅速，但最好逐周期地关掉 PWM 输出，以便在不能继续检测到故障条件时恢复正常运转，而不是一下子完全关断整个系统。如果这种方法不能解决问题，再关断系统。

　　这个电机控制器方案以一个感应电阻来测量电机电流(图 2)，并把信号传输到片上集成 ADC。过电流门限值是可以设置的，而一旦电流达到这个门限值，系统就会启动一个中断服务程序，然后终止输送到TRIAC 的触发脉冲，并最终关闭系统。

　　(3)过零点

　　要控制电机速度，TRIAC 的触发角必须与交流电路电压同步，因此，必须测定这种信号的过零时刻。ZiLOG 的电机控制方案使用了一个片上集成的模拟比较器，而不再需要外部组件，因此有助于降低成本和系统复杂性。图 3 展示了用来实现变速控制的不同的TRIAC 触发角。在图中所示的应用中，TRIAC 的触发角被设为 9° 。

　　电机电压：18°、90°和162°TRAC触发角

　　图3 电机电压：18°、90°和162°TRAC触发角

　　结论

　　由于成本和系统复杂性的原因，各种家电和便携式工具中使用的传统通用电机一般都缺乏精确电机控制，要解决这一问题，可以使用一个数字电源管理来实现变速控制，以得到各种明显的优势，并防止启动电器时可能出现的会导致电路断开的电涌。上面提到的这一方案使用了ZiLOG的 Z8 Encore! XP Flash MCU，采用了片上集成数字模块和先进的模拟硬件模块，提供了一种通用电机控制方案，能较好的克服阻碍在各种价格敏感型电器上执行智能控制的成本与复杂性问题。