【導讀】緊迫的時間表有時會讓工程師忽略除了 VIN、 VOUT和負載要求等以外的其他關(guān)鍵細節(jié),將PCB應用的電源設計放在事后再添加。遺憾的是,后續(xù)生產(chǎn)PCB時,之前忽略的這些細節(jié)會成為難以診斷的問題。例如,在經(jīng)過漫長的調(diào)試過程后,設計人員發(fā)現(xiàn)電路會隨機出現(xiàn)故障,比如,因為開關(guān)噪聲,導致隨機故障的來源則很難追查。
簡介:工程師在不斷發(fā)展的時代所面臨的挑戰(zhàn)
緊迫的時間表有時會讓工程師忽略除了 VIN、 VOUT和負載要求等以外的其他關(guān)鍵細節(jié),將PCB應用的電源設計放在事后再添加。遺憾的是,后續(xù)生產(chǎn)PCB時,之前忽略的這些細節(jié)會成為難以診斷的問題。例如,在經(jīng)過漫長的調(diào)試過程后,設計人員發(fā)現(xiàn)電路會隨機出現(xiàn)故障,比如,因為開關(guān)噪聲,導致隨機故障的來源則很難追查。
此專題分兩部分討論,本文是第一部分,主要介紹在設計多軌電源時可能會忽略的一些問題。第一部分著重介紹策略和拓撲,第二部分重點討論功率預算和電路板布局的細節(jié),以及一些設計技巧。許多應用電路板都使用電源來偏置多個邏輯電平,本系列文章將探討多電源電路板解決方案。旨在實現(xiàn)首次即正確的設計拓撲或策略。
選擇繁多
對于特定的電源設計,可能有多種可行的解決方案。在下面的示例中,我們將介紹多種選擇,例如單芯片電源與多電壓軌集成電路(IC)。我們將評估成本和性能取舍。探討低壓差(LDO)穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器(一般稱為降壓或升壓穩(wěn)壓器)之間的權(quán)衡考量。還將介紹混合方法(即LDO穩(wěn)壓器和降壓穩(wěn)壓器的混合與匹配),包括電壓輸入至輸出控制(VIOC)穩(wěn)壓器解決方案。
在本文中,我們將分析開關(guān)噪聲,以及在開關(guān)電源設計無法充分濾波時,PCB電路會受哪些影響。從總體設計角度來看,還需考慮成本、性能、實施和效率等因素。
例如,如何根據(jù)給定的一個或多個電源實現(xiàn)多電源拓撲優(yōu)化設計?我們將藉此深入探討設計、IC接口技術(shù)、電壓閾值電平,以及哪類穩(wěn)壓器噪聲會影響電路。我們將分析一些基本邏輯電平,例如5 V、3.3 V、2.5 V和1.8 V晶體管-晶體管邏輯(TTL)、互補金屬氧化物半導體(CMOS),及其各自的閾值要求。
本文還會提及正發(fā)射極耦合邏輯(PECL)、低壓PECL(LVPECL)和電流模式邏輯(CML)等先進邏輯,但不會詳細介紹。這些都是超高速接口,對于它們來說,低噪聲電平非常重要。設計人員需要知道如何避免信號擺幅引起的這些問題。
在電源設計中,成本和性能要求并存,所以設計人員必須仔細考慮邏輯電平和對干凈電源的要求。在公差和噪聲方面,通過設計實現(xiàn)可靠性并提供適當裕量,也可以避免生產(chǎn)問題。
設計人員需要了解與電源設計相關(guān)的權(quán)衡考量:哪些可實現(xiàn)?哪些可接受?如果設計達不到要求的性能,那么設計人員必須重新審視選項和成本,以滿足規(guī)格要求。例如,多軌器件(例如 ADP5054)可以在保持成本高效的同時提供所需的性能優(yōu)勢。
典型設計示例
我們先來舉個設計示例。圖1顯示將12 V和3.3 V輸入電源作為主電源的電路板框圖。主電源必須降壓,以便針對PCB應用產(chǎn)生5 V、2.5 V、1.8 V,甚至3.3 V電壓。如果外部3.3 V電源能夠提供足夠的電源和低噪聲,那么可以直接使用3.3 V輸入電軌,無需額外調(diào)節(jié),以免產(chǎn)生額外成本。如果不能,則可以使用12 V輸入電軌,通過降壓至PCB應用所需的3.3 V來滿足電源要求。
圖1.需要多軌電源解決方案的應用電路板概覽。
邏輯接口概述
PCB一般使用多個電源。IC可能僅使用5 V電源;或者,它可能要求多個電源,輸入/輸入接口使用5 V和3.3 V,內(nèi)部邏輯使用2.5 V,低功耗休眠方式使用1.8 V。低功耗模式可能始終開啟,用于定時器功能、管理等邏輯,或用于中斷時啟用喚醒模式,或者用于IRQ引腳,以啟用IC功能并為其供電,也就是5 V、3.3 V和2.5 V電源。所有這些或其中部分邏輯接口通常都在IC內(nèi)部。
圖2顯示了標準邏輯接口電平,包括各種TTL和CMOS閾值邏輯電平,以及它們可接受的輸入和輸出電壓邏輯定義。在本文中,我們將討論何時將輸入邏輯驅(qū)動至低電平(用輸入電壓低 (VIL)表示),何時驅(qū)動至高電平(用輸入邏輯電平高 VIH表示)。我們將重點分析VIL,即圖2中標記為“Avoid”的閾值不確定區(qū)域。
在所有情況下,必須考慮±10%的電源公差。圖3顯示了高速差分信號。本文將著重探討圖2所示的標準邏輯電平。
圖2.標準邏輯接口電平。
開關(guān)噪聲
未經(jīng)過充分濾波時,開關(guān)穩(wěn)壓器降壓或升壓電源設計可能產(chǎn)生幾十毫伏至幾百毫伏的開關(guān)噪聲,尖峰可能達到400 mV至600 mV。所以,了解開關(guān)噪聲是否會給使用的邏輯電平和接口造成問題非常重要。
安全裕度
為確保提供合適的安全裕度,實現(xiàn)可靠的PSU,一條設計經(jīng)驗法則是采用最糟糕情況下的–10%公差。例如,對于5 V TTL,0.8 V的VIL變成0.72 V,對于1.8 V CMOS,0.63 V的VIL變成0.57 V,閾值電壓(VTH)也相應降低(5 V TTL VTH = 1.35 V,1.8 V CMOS VTH = 0.81 V)。開關(guān)噪聲(VNS)可能為幾十毫伏到幾百毫伏。此外,邏輯電路本身也會產(chǎn)生信號噪聲(VN),即干擾噪聲??傇肼曤妷?VTN = VN + VNS)可能在100 mV至800 mV之間。將VTN添加至標稱信號中,以生成總信號電壓(VTSIG):實際的總信號(VTSIG = VTSIG + VTN)會影響閾值電壓(VTH),進一步擴大了avoid區(qū)域。VTH區(qū)域內(nèi)的信號電平是不確定的,在該區(qū)域內(nèi),邏輯電路可以任意隨機翻轉(zhuǎn);例如,在最糟糕的情形下,會錯誤觸發(fā)邏輯1,而不是邏輯0。
圖3.高速差分邏輯接口電平。
多軌PSU注意事項和提示
通過了解接口輸入和IC內(nèi)部邏輯的閾值電平,我們現(xiàn)在知道哪些電平會觸發(fā)正確的邏輯電平,哪些會(意外)觸發(fā)錯誤的邏輯電平。問題在于:要滿足這些閾值,電源的噪聲性能需要達到什么水平?低壓差線性穩(wěn)壓器噪聲很低,但在高壓降比下卻并不一定高效。開關(guān)穩(wěn)壓器可以有效降壓,但會產(chǎn)生一些噪聲。高效低噪的電源系統(tǒng)應包含這兩種電源的組合。本文著重介紹各種組合,包括在開關(guān)穩(wěn)壓器后接LDO穩(wěn)壓器的混合方法。
(在需要時)最大化效率和最小化噪聲的方法1, 2
從圖1所示的設計示例可以看出,為了充分提高5 V穩(wěn)壓的效率并盡可能降低開關(guān)噪聲,需要分接12 V電路并使用降壓穩(wěn)壓器,例如 ADP2386。從標準邏輯接口電平來看,5 V TTL VIL 和 5 V CMOS VIL 分別是0.8 V和1.5 V,僅使用開關(guān)穩(wěn)壓器時,也具備適當?shù)脑6?。對于這些電軌,通過使用降壓拓撲可實現(xiàn)效率最大化,而開關(guān)噪聲則低于采用5 V(TTL和CMOS)技術(shù)時的 VIL。通過使用降壓穩(wěn)壓器(例如圖4a所示的ADP2386配置),效率可以高達95%,如ADP2386的典型電路和效率曲線圖所示(見圖4b)。如果在此設計中使用噪聲較低的LDO穩(wěn)壓器,從VIN到VOUT的7 V壓降會導致消耗大量內(nèi)部功率,一般表現(xiàn)為產(chǎn)生熱量和損失效率。為了以少量額外成本實現(xiàn)可靠設計,在降壓穩(wěn)壓器后接LDO穩(wěn)壓器來產(chǎn)生5 V電壓也是一項額外優(yōu)勢。
圖4.ADP2386的(a)典型電路和(b)效率曲線圖。
圖5.典型的ADP125應用。
2.5 V和1.8 V CMOS的 VIL 分別是0.7 V和0.63 V。遺憾的是,此邏輯電平的安全裕度尚不足以避免開關(guān)噪聲。要解決此問題,有兩種方案可選。第一種:如果圖1所示的外部3.3 V電源具備足夠功率且噪聲極低,則分接這個外部3.3 V電源,并使用線性穩(wěn)壓器(LDO穩(wěn)壓器),例如 ADP125 (圖5)或 ADP1740 來獲得2.5 V和1.8 V電源。注意,從3.3 V到1.8 V有1.5 V壓降。如果此壓降會導致問題,則可以使用混合方法。第二種:如果外部3.3 V電源的噪聲不低,或不能提供足夠功率,則分接12 V電源,通過降壓穩(wěn)壓器后接LDO穩(wěn)壓器來產(chǎn)生3.3 V、2.5 V和1.8 V電源;混合方法如圖6所示。
加入LDO穩(wěn)壓器會稍微增加成本和板面積以及少量散熱,但要實現(xiàn)安全裕度,有必要作出這些取舍。使用LDO穩(wěn)壓器會小幅降低效率,但可以通過保持 VIN 至 VOUT 的少量壓降,使這種效率降幅達到最低:3.3 V至2.5 V,保持0.8 V,或3.3 V至1.8 V,保持1.5 V??梢允褂脦IOC功能的穩(wěn)壓器盡可能提高效率和瞬變性能。VIOC可以調(diào)節(jié)上游開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出,從而在LDO穩(wěn)壓器兩端保持合理的壓降。帶VIOC功能的穩(wěn)壓器包括 LT3045、 LT3042 和 LT3070-1。
LT3070-1是一款5 A、低噪聲、可編程輸出、85 mV低壓差線性穩(wěn)壓器。如果必須使用LDO穩(wěn)壓器,則存在散熱問題,其中功耗= VDROP × I。例如,LT3070-1支持3 A,穩(wěn)壓器兩端的功率降幅(或功耗)典型值為3 A × 85 mV = 255 mW。相比壓差為400 mV,輸出電流同樣為3 A,功耗為1.2 W的一些典型LDO穩(wěn)壓器,LT3070-1的功耗僅為其五分之一。
或者,我們可以使用混合方法,以犧牲成本為代價來提高效率。圖6中效率和性能均得到優(yōu)化,其中先使用降壓穩(wěn)壓器(ADP2386)將電壓降至允許的最低電壓,盡量提高效率,后接一個LDO穩(wěn)壓器(ADP1740)。
圖6.使用ADP2386和ADP1740組合的混合拓撲。
此練習提供一個通用設計示例,用于顯示一些拓撲和技術(shù)。但是,也不能忘記考慮其他因素,例如IMAX、成本、封裝、壓降等。
也提供低噪聲降壓和升壓穩(wěn)壓器選項,例如 Silent Switcher® regulators,它具備極低的噪聲和低EMI。例如,從性能、封裝、尺寸和布局區(qū)域來看, LT8650S 和 LTC3310S 具有成本高效特性。
封裝、功率、成本、效率和性能取舍
量產(chǎn)PCB設計通常要求使用緊湊的多軌電源,以實現(xiàn)高功率、高效率、出色的性能和低噪聲。例如,ADP5054四通道降壓穩(wěn)壓器為FPGA等應用提供高功率(17 A)單芯片多軌電源解決方案,如圖7所示。整個電源解決方案約41 mm × 20 mm大小。ADP5054本身的大小僅為7 mm × 7 mm,可以提供17 A總電流。要在緊湊空間內(nèi)實現(xiàn)極高的功率電平,可以考慮使用ADI的 µModule® regulators,例如 LTM4700,可以在15 mm × 22 mm的封裝大小內(nèi)提供高達100 A電流。
圖7.適合FPGA應用的ADP5054單芯片多軌電源解決方案。
圖8.ADP5054原理圖。
第二部分
在本專題的第二部分,我們將探討如何在電路板級別使用級聯(lián)策略,包括選擇合適的IC來實現(xiàn)功率預算和電路板布局,以及一些相關(guān)技巧。
參考電路
參考資料
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接頭引腳。 Digi-Key Electronics。
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