成為直流穩(wěn)壓電源硬件電路工程師必經(jīng)之路
2017-7-31 10:22:55??????點(diǎn)擊：
本文主要針對(duì)那些剛開(kāi)始或準(zhǔn)備開(kāi)始搞設(shè)計(jì)硬件直流穩(wěn)壓電源電路的工程師，高級(jí)別的硬件工程師看這篇文章就沒(méi)必要了。時(shí)光飛逝，離俺最初畫第一塊直流穩(wěn)壓電源電路已有3年。剛剛開(kāi)始接觸直流穩(wěn)壓電源電路板的時(shí)候，與你一樣，俺充滿了疑惑同時(shí)又帶著些興奮。在網(wǎng)上許多關(guān)于硬件直流穩(wěn)壓電源電路的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)讓人目不暇接。像信號(hào)完整性，EMI，PS設(shè)計(jì)準(zhǔn)會(huì)把你搞暈。別急，一切要慢慢來(lái)。
1）直流穩(wěn)壓電源總體思路。設(shè)計(jì)硬件直流穩(wěn)壓電源電路，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點(diǎn)還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實(shí)現(xiàn);但也有些要自己設(shè)計(jì)框架的，那就要搞清楚要實(shí)現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實(shí)現(xiàn)同樣或相似功能的參考直流穩(wěn)壓電源電路板（要懂得盡量利用他人的成果，越是有經(jīng)驗(yàn)的工程師越會(huì)懂得借鑒他人的成果）。
2）理解直流穩(wěn)壓電源電路。如果你找到了的參考設(shè)計(jì)，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時(shí)間了（包括前期設(shè)計(jì)和后期調(diào)試）。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說(shuō)，一方面能提高我們的直流穩(wěn)壓電源電路理解能力，而且能避免設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。
3）沒(méi)有找到參考設(shè)計(jì)？ 沒(méi)關(guān)系。先確定大IC芯片，找datasheet，看其關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關(guān)鍵參數(shù)，以及能否看懂這些關(guān)鍵參數(shù)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)，這也需要長(zhǎng)期地慢慢地積累。這期間，要善于提問(wèn)，因?yàn)樽约翰欢臇|西，別人往往一句話就能點(diǎn)醒你，尤其是硬件設(shè)計(jì)。
4）硬件直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)主要是三個(gè)部分，直流穩(wěn)壓電源原理圖，pcb ，物料清單（BOM）表。直流穩(wěn)壓電源原理圖設(shè)計(jì)就是將前面的思路轉(zhuǎn)化為直流穩(wěn)壓電源電路原理圖。它很像我們教科書(shū)上的直流穩(wěn)壓電源電路圖。pcb涉及到實(shí)際的直流穩(wěn)壓電源電路板，它根據(jù)直流穩(wěn)壓電源原理圖轉(zhuǎn)化而來(lái)的網(wǎng)表（網(wǎng)表是溝通直流穩(wěn)壓電源原理圖和pcb之間的橋梁），而將具體的元器件的封裝放置（布局）在直流穩(wěn)壓電源電路板上，然后根據(jù)飛線（也叫預(yù)拉線）連接其電信號(hào)（布線）。完成了pcb布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)該有所歸納，所以我們將用到BOM表。
5）用什么工具？Protel，也就是altium容易上手，在國(guó)內(nèi)也比較流行，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門的設(shè)計(jì)者使用。
其實(shí)無(wú)論用簡(jiǎn)單的protel或者復(fù)雜的cadence工具，硬件設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)是一樣的（protel上的操作類似windwos，是post-command型的;而cadence的產(chǎn)品concept & allegro 是pre-command型的，用慣了protel，突然轉(zhuǎn)向cadence的工具，會(huì)不習(xí)慣就是這個(gè)原因）。設(shè)計(jì)大環(huán)節(jié)都要有：1）直流穩(wěn)壓電源原理圖設(shè)計(jì)。2）pcb設(shè)計(jì)。3）制作BOM表。現(xiàn)在簡(jiǎn)要談一下設(shè)計(jì)流程（步驟）：
1）直流穩(wěn)壓電源原理圖庫(kù)建立。要將一個(gè)新元件擺放在直流穩(wěn)壓電源原理圖上，我們必須得建立改元件的庫(kù)。庫(kù)中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以具體的圖形形式來(lái)代表（我們常常看到的是一個(gè)矩形（代表其IC BODY），周圍許多短線（代表IC管腳））。protel創(chuàng)建庫(kù)及其簡(jiǎn)單，而且因?yàn)橛玫娜硕啵S多元件都能找到現(xiàn)成的庫(kù)，這一點(diǎn)對(duì)使用者極為方便。應(yīng)搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等區(qū)別。
2）有了充足的庫(kù)之后，就可以在直流穩(wěn)壓電源原理圖上畫圖了，按照datasheet和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)wire把相關(guān)元件連接起來(lái)。在相關(guān)的地方添加line和text注釋。wire和line的區(qū)別在于，前者有電氣屬性，后者沒(méi)有。wire適用于連接相同網(wǎng)絡(luò)，line適用于注釋圖形。這個(gè)時(shí)候，應(yīng)搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。
3）做完這一步，我們就可以生成netlist了，這個(gè)netlist是直流穩(wěn)壓電源原理圖與pcb之間的橋梁。直流穩(wěn)壓電源原理圖是我們能認(rèn)知的形式，電腦要將其轉(zhuǎn)化為pcb，就必須將直流穩(wěn)壓電源原理圖轉(zhuǎn)化它認(rèn)識(shí)的形式netlist，然后再處理、轉(zhuǎn)化為pcb。
4）得到netlist，馬上畫pcb？別急，先做ERC先。ERC是電氣規(guī)則檢查的縮寫。它能對(duì)一些直流穩(wěn)壓電源原理圖基本的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行排查，如多個(gè)output接在一起等問(wèn)題。（但是一定要仔細(xì)檢查自己的直流穩(wěn)壓電源原理圖，不能過(guò)分依賴工具，畢竟工具并不能明白你的系統(tǒng)，它只是純粹地根據(jù)一些基本規(guī)則排查。）
5）從netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和數(shù)不清的飛線是不是讓你嚇了一跳？呵呵，別急還得慢慢來(lái)。
6）確定板框大小。在keepout區(qū)（或mechanic區(qū)）畫個(gè)板框，這將限制了你布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求好考慮板長(zhǎng)，板寬（有時(shí)，還得考慮板厚）。當(dāng)然了，疊層也得考慮好。（疊層的意思就是，板層有幾層，怎么應(yīng)用，比如板總共4層，頂層走信號(hào)，中間第一層鋪直流穩(wěn)壓電源，中間第二層鋪地，底層走信號(hào)）。
先解釋一下（2）中的術(shù)語(yǔ)。post-command，例如我們要拷貝一個(gè)object（元件），我們要先選中這個(gè)object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V（copy命令發(fā)生在選中object之后）。這種操作windows和protel都采用的這種方式。但是concept就是另外一種方式，我們叫做pre-command。同樣我們要拷貝一個(gè)東西，先按ctrl+C，然后再選中object，再在外面單擊（copy命令發(fā)生在選中object之前）。
1）確定完板框之后，就該元件布局（擺放）了，布局這步極為關(guān)鍵。它往往決定了后期布線的難易。哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面，都要有所考量。但是這些都是一個(gè)仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智的問(wèn)題;從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實(shí)自己畫了直流穩(wěn)壓電源原理圖，明白所有元件功能，自然對(duì)元件擺放有清楚的認(rèn)識(shí)（如果讓一個(gè)不是畫直流穩(wěn)壓電源原理圖的人來(lái)擺放元件，其結(jié)果往往會(huì)讓你大吃一驚^_^）。對(duì)于初入門的，注意模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機(jī)械位置的擺放，同時(shí)注意直流穩(wěn)壓電源的拓?fù)渚涂梢粤恕?/span>
2）接下來(lái)就是布線。這與布局往往是互動(dòng)的。有經(jīng)驗(yàn)的人往往在開(kāi)始就能看出哪些地方能布線成功。如果有些地方難以布線還需要改動(dòng)布局。對(duì)于fpga設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)往往還要改動(dòng)直流穩(wěn)壓電源原理圖來(lái)使布線更加順暢。布線和布局問(wèn)題涉及的因素很多，對(duì)于高速數(shù)字部分，因?yàn)闋砍兜叫盘?hào)完整性問(wèn)題而變得復(fù)雜，但往往這些問(wèn)題又是難以定量或即使定量也難以計(jì)算的。所以，在信號(hào)頻率不是很高的情況下，應(yīng)以布通為第一原則。
3）OK了？別急，用DRC檢查檢查先。這是一定要檢查的。DRC對(duì)于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會(huì)有所標(biāo)注，按照這個(gè)再一一的排查，修正。
4）有些pcb還要加上敷銅（可能會(huì)導(dǎo)致成本增加），將出線部分做成淚滴（工廠也許會(huì)幫你加）。最后的pcb文件轉(zhuǎn)成gerber文件就可交付pcb生產(chǎn)了。（有些直接給pcb也成，工廠會(huì)幫你轉(zhuǎn)gerber）。
5）要裝配pcb，準(zhǔn)備bom表吧，一般能直接從直流穩(wěn)壓電源原理圖中導(dǎo)出。但是需要注意的是，直流穩(wěn)壓電源原理圖中哪些部分元件該上，哪些部分元件不該上，要做到心理有數(shù)。對(duì)于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便（大公司往往要專業(yè)軟件來(lái)管理）。而對(duì)于新手而言，第一個(gè)版本，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料全部焊上，這樣不便于排查問(wèn)題。最好的方法就是，根據(jù)bom表自己準(zhǔn)備好元件。等到板來(lái)了之后，一步步上元件、調(diào)試。。。
談?wù)務(wù){(diào)試
1）拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能，硬件調(diào)試不可能一步調(diào)試完成的。先拿萬(wàn)用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要是看直流穩(wěn)壓電源與地之間有否短路（盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)幫你做過(guò)測(cè)試，這一步還是要自己親自看看，有時(shí)候看起來(lái)某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)約你后面不少時(shí)間！），其實(shí)短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個(gè)環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題，IO短路一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果，但是直流穩(wěn)壓電源短路就。。。。。。
2）直流穩(wěn)壓電源網(wǎng)絡(luò)沒(méi)短路？那么好，那就看看直流穩(wěn)壓電源輸出是否是自己理想的值，對(duì)于初學(xué)者，調(diào)試的時(shí)候最好IC一件件芯片上，第一個(gè)要上的就是直流穩(wěn)壓電源芯片。
3）直流穩(wěn)壓電源網(wǎng)絡(luò)短路了？這個(gè)比較麻煩，不過(guò)要仔細(xì)看看自己直流穩(wěn)壓電源原理圖是否有可能這樣的情況，同時(shí)結(jié)合割線的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的問(wèn)題（一般比較爛的pcb廠就可能出現(xiàn)這種情況），還是裝配的問(wèn)題，還是自己設(shè)計(jì)的問(wèn)題。關(guān)于檢查短路還有一些技巧，這在今后登出。。。。。。
3）直流穩(wěn)壓電源芯片沒(méi)有輸出？檢查檢查你的直流穩(wěn)壓電源芯片輸入是否正常吧，還需要檢查的地方有使能信號(hào)，分壓電阻，反饋網(wǎng)絡(luò)。。。。。。
4） 直流穩(wěn)壓電源芯片輸出值不在預(yù)料范圍？如果超過(guò)很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個(gè)分壓電阻一般要用1%的精度，這個(gè)你做到了沒(méi)有，同時(shí)看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧，這也會(huì)影響你的輸出直流穩(wěn)壓電源的范圍。
5）直流穩(wěn)壓電源輸出正常了，別高興，如果有條件的話，拿示波器看看吧，看看直流穩(wěn)壓電源的輸出跳變是否正常。也就是抓取開(kāi)電的瞬間，看看直流穩(wěn)壓電源從無(wú)到有的情況（至于為什么要看著個(gè)，嘿嘿。。。。。。專業(yè)人士還是要看的～）
談?wù)勚绷鞣€(wěn)壓電源
無(wú)疑直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)是整個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路板最重要的一環(huán)。直流穩(wěn)壓電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。我想不用balabala述說(shuō)它究竟有多么重要了。
在直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)我們用得最多的場(chǎng)合是，從一個(gè)穩(wěn)定的“高”電壓得到一個(gè)穩(wěn)定的“低”電壓。這也就是經(jīng)常說(shuō)的DC-DC（直流-直流），而直流-直流
中用得最多的直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種叫LDO（低壓差線性器，我們后面說(shuō)的線性直流穩(wěn)壓電源，也是指它），另一種叫PWM（脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電
源，我們?cè)诒疚囊卜Q它開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源）。我們常常聽(tīng)到PWM的效率高，但是LDO的響應(yīng)快，這是為什么呢？別著急，先讓我們看看它們的直流穩(wěn)壓電源原理。
下面會(huì)涉及一些理論知識(shí)，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎(chǔ)了。
一、線性直流穩(wěn)壓電源的工作原理
如圖是線性直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中，Vo經(jīng)過(guò)兩個(gè)分壓電阻分壓得到V+，V+被送入放大器（我們把這個(gè)放大器叫做誤差放大器）的正端，而放大器的負(fù)端Vref是直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部的參考電平（這個(gè)參考電平是恒定的）。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來(lái)控制MOSFET的阻抗。Va變大時(shí)，MOSFET的阻抗變大;Va變小時(shí)，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。
現(xiàn)在我們來(lái)看Vo是怎么穩(wěn)定的，假設(shè)Vo變小，那么V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導(dǎo)致MOSFET的阻抗變小，這樣經(jīng)過(guò)同樣的電流，MOSFET的壓差將變小，于是將Vo上抬來(lái)抑制Vo的變小。同理，Vo變大，V+變大，Va變大，MOSFET的阻抗變大，經(jīng)過(guò)同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。
二、開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源的工作原理
如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源采用了用一定占空比的方波Vg1，Vg2推動(dòng)上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1為高，Vg2為低;上MOS管打開(kāi)時(shí)，下MOS管關(guān)閉;下MOS管打開(kāi)時(shí)，上MOS管關(guān)閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器，因此方波電壓經(jīng)過(guò)濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓Vo。Vo經(jīng)過(guò)R1、R2分壓后送入第一個(gè)放大器（誤差放大器）的負(fù)端V+，誤差放大器的輸出Va做為第二個(gè)放大器（PWM放大器）的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個(gè)有一定占空比的方波，經(jīng)過(guò)門邏輯直流穩(wěn)壓電源電路處理得到兩個(gè)反相的方波Vg1、Vg2來(lái)控制MOSFET的開(kāi)關(guān)。
三、線性直流穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源的比較
懂得了線性直流穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源的工作直流穩(wěn)壓電源原理之后，我們就可以明白為什么線性直流穩(wěn)壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態(tài)響應(yīng)，但是效率差;而開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源噪聲較大，瞬態(tài)響應(yīng)較慢，但效率高了。
線性直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應(yīng)快（當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，補(bǔ)償快）。但是因?yàn)檩斎牒洼敵龅膲翰钊柯湓诹薓OSFET上，所以它的效率低。因此，線性一般用在小電流，對(duì)電壓精度要求高的應(yīng)用上。
而開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數(shù)很多，且其反饋環(huán)路長(zhǎng)，因此其噪聲性能低于線性直流穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。但是根據(jù)開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)，MOSFET處于完全開(kāi)和完全關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動(dòng)MOSFET，和MOSFET自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出（理論上L、C是不耗能量的，盡管實(shí)際并非如此，但這些消耗的能量很小）。
先寫part 8，待到圖片能上傳再添補(bǔ) part 6，7做為描述開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源原理，以及LDO與開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源比較之用。
這一部分澄清高速信號(hào)認(rèn)識(shí)的一些誤區(qū)。
一、高速看的是信號(hào)沿，不是時(shí)鐘頻率。
1） 一般而言，時(shí)鐘頻率高的，其信號(hào)上升沿快，因此一般我們把它們當(dāng)成高速信號(hào);但反過(guò)來(lái)不一定成立，時(shí)鐘頻率低的，如果信號(hào)上升沿依然快的，一樣要把它當(dāng)成高速信號(hào)來(lái)處理。根據(jù)信號(hào)理論，信號(hào)上升沿包含了高頻信息（用傅立葉變換，可以找出定量表達(dá)式），因此，一旦信號(hào)上升沿很陡，我們應(yīng)該按高速信號(hào)來(lái)處理，設(shè)計(jì)不好，很可能出現(xiàn)上升沿過(guò)于緩慢，有過(guò)沖，下沖，振鈴的現(xiàn)象。比如，I2C信號(hào)，在超快速模式下，時(shí)鐘頻率為1MHz，但是其規(guī)范要求上升時(shí)間或下降時(shí)間不超過(guò)120ns！確實(shí)有很多板I2C就過(guò)不了關(guān)！
2）因此，我們更應(yīng)該關(guān)注的是信號(hào)帶寬。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，帶寬與上升時(shí)間（10%~90%）的關(guān)系為 Fw * Tr = 3.5
二、示波器選擇
1） 很多人注意到了示波器的采樣率，沒(méi)有注意到示波器的帶寬。但往往示波器帶寬是一個(gè)更重要的參數(shù)。一些人以為只要示波器采樣率滿足超過(guò)信號(hào)時(shí)鐘頻率的兩倍就行了，這是大錯(cuò)特錯(cuò)。錯(cuò)誤的原因是錯(cuò)誤的理解了采樣定理。采樣定理1說(shuō)明了當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)最大帶寬的兩倍，就能完美地恢復(fù)原信號(hào)。但是，采樣定理指的信號(hào)是帶限信號(hào)（帶寬是有限的），與現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)嚴(yán)重不符。我們一般的數(shù)字信號(hào)，除了時(shí)鐘之外，都不是周期的，從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，其頻譜是無(wú)限寬的;要能捕獲到高速信號(hào)，就不能對(duì)其高頻分量太多的失真。示波器帶寬指標(biāo)與此息息相關(guān)。因此，真正要注意的依然是用示波器捕獲的信號(hào)的上升沿失真在我們可接受的范圍。
2） 那么選多高帶寬的示波器才合適呢？理論上5倍于信號(hào)帶寬的示波器捕獲的信號(hào)比原信號(hào)損失不到3%。如果要求損失更寬松，那就可以選擇更低端的示波器。用到3倍于信號(hào)帶寬的示波器應(yīng)該能滿足大多數(shù)要求。但是不要忘了你探頭的帶寬！
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