在单板设计中有一些常用的经验

出处:面包板 发布于:2019-11-06 14:45:00 | 92 次阅读

   在单板设计中有一些常用的经验,今天来跟大家分享一下。
  首先聊聊电源、插座和上下拉电阻。为什么呢?
  首先,电源是单板设计中首先要考虑的,电路能不能工作,工作稳定性如何?这些的先决条件就是要有一个输出稳定、纹波较小的电源。只有电源滤波部分做好了,才能够让整个电路稳定工作。
  其次,单板设计中电源插座也是一个必须考虑的问题,因为单板电路中电源的拔插,尤其是热插拔(我们经常会看到有这样的说法,RS232串口不支持热插拔,USB接口支持热插拔,那么热插拔是什么意思呢?其实热插拔的通俗说法就是带电插拔)是一种经常性的行为,所以必须要考虑选择一个好的插座来防止电流及电压的瞬间冲击。
  第三,常见的单板电路中,上拉电阻和下拉电阻是经常碰到的,尤其是在为了提高灌电流能力以及电平匹配的场合,上下拉电阻是优选项。
  我们今天就重点说一下这三种设计。
  一、电源滤波先来说说电源滤波的设计,电源滤波设计中主要考虑两种滤波设计,分别是:输入侧电源的滤波和IC的电源去耦。
  1、输入侧电源的滤波对于单板的电源输入侧,出于上电特性及热插拔的需要,需要加一个π型滤波电路。
  Π型滤波电路的基本电路形式如下图所示。

  我们来分析一下这个电路的原理。电路中,C1作为输入侧的输入电容,L是输入电感,C2是π型滤波电路的输出侧电容;其工作原理为:C1的主要目的是为了限制上电瞬间的电压上升时速度,同时也起到滤除输入侧电路由电源引起的纹波,因此,C1一般是由直流电容和交流电容组成的并联电容组,其中直流电容的作用是去除电的纹波,而交流电容的主要作用是去耦。
  那么,如何选择这些器件的参数呢?一般来说,输入侧电容选用钽电容,去耦电容的容量一般选择0.01微法~1微法之间,至于元件的封装形式,直插式或贴片时均可,从生产工艺的角度来说的话,贴片式的更好一些。推荐直流电容的参数为直流电容选取10微法左右的,交流电容选取0.1微法左右的。
  我们再来看看电感的作用,电感在本电路中的作用是为了抑制电流的变化率,从电感的特性来分析的话,电感越大,抑制效果越好,但是电感太大时,电路的上电特性会受到很大影响,尤其是上电或下电时,电感两端会产生反电势,这样会对后面的负载产生影响,所以参数不能选的过大,一般推荐值为10微亨。
  而输出侧的电容不仅要完成去耦及滤除纹波的作用,还必须维持滤波后的
  反电势的影响,兼顾考虑板内负载大小及板内其它去耦电容的数量,所以这里推荐输出侧电容的参数为:直流电容10微法,交流电容0.01微法。
  2、IC的电源去耦电路中的IC为什么要加去耦电容呢?

  通过上面的电源滤波电路,经过π型滤波电路的瞬态电压特性已经有了比较大的改善,但是,由于单板上的负载以及非线性器件的影响,电源中的纹波不能能完全被消除,并且分布特性对于电源特定的影响较大,因此,在IC器件端应该添加去耦电容的设计,以改善板内IC侧的电源特性。
  器件参数的选择与电源滤波电容的参数选择相同,推荐的参数为:直流电容10微法,交流电容0.01微法。
  二、带电插拔座接下来我们来分析一下电源插座设计时应该注意的问题。

 


  带电插拔座的特性是先使地线连起来,然后电源部分上电,这样做的目的是使热插拔的上电过程先使地线联通,然后再接电源正极,可以避免电源上电不均衡所带来的冲击。
  那么,电源上电不均衡所带来的冲击及其危害有哪些呢?在系统调试中,电源的热插拔行为是一种经常发生并且是很必要的行为,热插拔会带来电流以及电压的冲击,并且这种冲击有可能很大,这时对单板的损伤是由电流及电压变化过快所造成的,而对系统的冲击是由负载的突变造成的,因此,需要遏制电流、电压的变化率,减轻负载突变是热插拔的先决条件,但是单靠π型滤波电路是不够的,这就需要有热插拔的单板必须加带电插拔座。
  三、上拉电阻、下拉电阻我们先来看看上拉电阻的选取原则以及上拉电阻的阻值选择。


  1、上拉电阻的选取原则A、提高灌电流的能力
  单板内部的器件功耗及驱动能力各不相同,这样在器件连接时的灌电流能力不尽相同,连接上会有驱动问题
  B、电平兼容
  板内或板间器件选取各不相同,信号电平特性各不相同,出于兼容性的考虑,需加上拉电阻以保证兼容性。
  C、电平稳态的特性
  个别器件在上电时要求某些管脚的初始电平固定为高电平,此时必须加上拉电阻以保证器件能够正常的工作。
  D、器件及参数选择
  对于上面的A、B两种情况,一般的上拉电阻选取2K~1M欧姆,视负载情况而定,重负载时电阻应选取靠近下限,轻负载时选取上限,这里的负载以器件功耗指标来确定,对于上面所述的C情况,则以该种器件的数据特性来决定。器件一般以金属膜的电阻或阻排为准。
  2、下拉电阻的选取原则我们再来看看下拉电阻的选取原则以及下拉电阻的阻值选择。
  A、电平兼容
  板内或板间器件选取各不相同,信号电平特性各不相同,出于兼容性的考虑,需加上拉电阻以保证兼容性。
  B、端接
  板内或板间的信号频率较高或上升沿较陡时,需要加端接电阻下拉到地,一般此时经常性的会再串入一个适当的电容。
  C、电平稳态的特性
  个别器件在上电时要求某些管脚的初始电平固定为低电平,此时必须加下拉电阻以保证器件能够正常的工作。
  D、器件及参数选择
  对于上面的A情况,一般的下拉电阻选取1K~100K欧姆,视负载情况而定,CMOS电平的负载,电阻应选取靠近下限,TTL电平时选取上限,这里的电平以负载指标来确定,对于上面所述的B情况,一般选取75~150欧姆的电阻;对于上面所述的C情况,则以该种器件的数据特性来决定。器件一般以金属膜的电阻或阻排为准。

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关键词:单板设计

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