浅谈低功耗低噪声电源设计

出处：hahaxo 发布于：2011-08-27 15:19:56

　　在做硬件系统设计时，需要选择正确的电源供电芯片，无论是设计消费数码电子还是无线传感设备，需要权衡好产品的各个功能需求。在对噪声抑制、耗电量、压降、和电源电压电流等指标做出评估和划定优先级后，才可以进行电源IC的选择。

　　每个信号路径需要“干净”的电源。电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。通过降低组件闲置时的能耗，的电源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。电源管理技术也称做电源控制技术，它属于电力电子技术的范畴，是集电力变换，现代电子，网络组建，自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术，先进已经广泛应用到工业，能源，交通，信息，航空，国防，教育，文化等诸多领域。电源管理是系统设计的部分。图1显示了如何为信号路径供电的实例系统。

　　本人目前设计一个需要超低功耗的无线产品，一个3AH的电池要能工作5-6年，这个需要整个通信机制需要有省电的功能，也需要产品本身需要有超低功耗的能力，一个无线产品需要具有超低功耗需要从产品的几个构成部分来分析：

　　1）电源部分

　　2）RF部分

　　3）CPU部分

　　4）其他部分

　　这里结合我的工作做对电源部分的分析：

　　选择电源芯片原则：

　　1）选择工艺成熟，产品质量好，性价比好的厂家产品

　　2）选择工作频率高的产品，降低周围器件，降低成本。

　　3）用封装小的，但要考虑输出电流的大小，一般都是小封装小电流，大封装大电流

　　4）选择技术支持好的厂家，特别是小公司选择电源器件时要注意，小公司别人不理睬你！！！

　　5）选择资料齐全的，有中文的，样品可以申请的，有的，供货周期短的，不要老停产

　　以上是从大的层面来做分析，包括设计和采购等方面来考虑。

　　从技术要求的层面来分析：

　　一、LDO 器件选择：

　　LDO是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

　　LDO选择4个要素：压差、噪声、静态电流、共模抑制比。

　　仅仅从省电来说，主要看静态电流，有的LDO静态电流很小，1UA左右，就是LDO工作时，自身的耗电，这个参数在省电中很关键，越小肯定越好，但不可能为0，LDO的耗电有两个指标：一个为静态电流，一个为SET_OFF电流，要区分哦！！还有压差，这个好理解，压差为0就是很理想的LDO。

　　电源抑制比（Power supply ripple rejection ratio）是把电源的输入与输出看作独立的信号源，输入与输出的纹波比值即是PSRR，通常用对数形式表示，单位是dB。反映输出和输入频率相同的条件下，LDO输出对输入纹波抑制能力的交流参数。和噪声（Noise）不同，噪声通常是指在10Hz至100kHz频率范围内，LDO在一定输入电压下其输出电压噪声的均方值（RMS），PSRR的单位是dB，公式如下：PSRR=20 log（△vin/△vout）

　　电源影响信号路径性能

　　并不意外的是，电源影响模拟信号完整性，这终会影响整体的系统性能。提高信号路径性能的一种简单方法是选择正确的电源。在选择电源时，影响模拟信号路径性能的一个关键参数是电源线上的噪声或纹波。电源线上的噪声或纹波可以耦合到运算放大器的输出中，增加锁相环（PLL）或压控振荡器（VCO）的抖动，或者降低ADC的SNR。

　　电源线上的噪声或纹波的来源具有多样性。在系统内的高速数据和高频信号本身会产生噪声，PCB的印制线和连接线如果设计不当，可以形成发射天线的效应。数字IC,例如微控制器和现场可编程门阵列（FPGA）以及复杂可编程逻辑器件（CPLD）具有很快的边沿跳变速度，电流的大小变化很大，将产生电磁干扰辐射到系统中。IC硅片在内部产生热噪声，这是由于在温度高于0摄氏度时分子的随机运动和碰撞产生的。

　　有三种常用的方法来使信号路径中的噪声和纹波：非常仔细的系统PCB布局、恰当的电源旁路处理以及正确的电源选择。尽管PCB的具体设计取决于系统，但就一般而言，PCB的布局需要考虑包括正确的器件布局、使信号路径连接线的长度以及采用实体的地等。

　　对电源轨进行旁路处理是一种常用的方法，这种方法通常在模拟IC产品手册中被推荐用于滤出噪声。信号路径IC可以具有分离的模拟、数字和PLL电源输入，建议每个采用自己独立的旁路处理。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL,Phase-Locked Loop）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成。PLL电源和模拟电源对噪声和纹波敏感。旁路电容、阻容（RC）滤波器以及EMI抑制滤波器使进入信号路径的电源噪声化。

　　二、DC-DC电源选择

　　对于DC-DC来说，主要考虑转换的效率，纹波，输入输出电压等。

　　在选择DC/DC变换器时，电路设计要注意输出电流、高效率、小型化，输出电压要求：

　　1. 如需求的输出电流较小，可选择FET内置型；输出电流需要较大时，选择外接FET类型。

　　2. 关于效率有以下考虑：如果需优先考虑重负荷时的纹波电压及消除噪音，可选择PWM控制型；如果同时亦需重视低负荷时的效率，则可选择PFM/PWM切换控制型。

　　3. 要求小型化，则可选择能使用小型线圈的高频产品。

　　4. 在输出电压方面，如果输出电压需要达到固定电压以上，或需要不固定的输出电压时，刚可选择输出可变的VDD/VOUT分离型产品。

　　DC-DC工作方式PFM与PWM比较：

　　PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切换控制模式这三种控制方式各有各的优点与缺点： DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定电压相同的输出电压。

　　PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PFM控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。但如果输出电压下降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。PWM控制也是与频率同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽量减少流入线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。

　　与PWM相比，PFM的输出电流小，但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。因此，消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。

　　若需同时具备PFM与PWM的优点的话，可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器。此功能是在重负荷时由PWM控制，低负荷时自动切换到PFM控制，即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。在备有待机模式的系统中，采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。

　　高频的优点：

　　通过实际测试PWM与PFM/PWM的效率，可以发现PWM/PFM切换的产品在低负荷时的效率较高。至于高频方面，通过提高DC/DC变换器的频率，可以实现大电流化、小型化和高效率化。但是，必须注意的是只有通过线圈的特性配合才可以提高效率。因为当DC/DC变换器高频化后，由于开关次数随之增加的原因，开关损失也会增大，从而导致效率会有所降低。通过使用高效率的产品，相对可使用较低电感值的线圈，可以使用小型线圈，即使使用的是小型线圈也可得到相同的效率及输出电流。

　　外接器件选择：

　　除了需要关注DC/DC变换器本身的特性外，外接组件的选择也不能忽视。外接组件中的线圈、电容器和FET对于开关电源特性有着很大影响。这里所谓的特性是指输出电流、输出纹波电压及效率。

　　线圈：通常指呈环形的导线，常见的线圈应用有：马达、电感、变压器和环形天线等。如果需要追求高效率，选择直流电阻和电感值较小的线圈。但是，如果电感值较小的线圈用于频率较低的DC/DC，就会超过线圈的额定电流，线圈会产生磁饱和现象，引起效率恶化或损坏线圈。而且如果电感值太小，也会引起纹波电压变大。所以在选择线圈时，请注意流向线圈的电流不要超过线圈的额定电流。在选择线圈时，需要根据输出电流、DC/DC的频率、线圈的电感值、线圈的额定电流和纹波电压等条件综合决定。

　　电容：指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存。输出电容的容量越大，纹波电压就越小。但是较大的容量也意味着较大的电容体积，所以请选择适合的容量。

　　三极管：作为外接的三极管，与双极晶体管相比，因FET的开关速度比较快，所以开关损耗会较小，效率会更高一些。

　　DC-DC基本原理：

　　DC-DC电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关K，续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间，就可以控制输出电压。

　　在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。

　　续流二极管由于在电路中起到续流的作用而得名，一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”，它在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏，以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏的作用。

　　在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。

　　升压式DC/DC变换器原理：

　　升压式DC/DC变换器主要用于输出电流较小的场合，只要采用1~2节电池便可获得3~12V工作电压，工作电流可达几十毫安至几百毫安，其转换效率可达70%-80%。

　　升压式DC/DC变换器的基本工作原理如图所示。

　　电路中的VT为开关管，当脉冲振荡器对双稳态电路置位（即Q端为1）时，VT导通，电感VT中流过电流并储存能量，直到电感电流在RS上的压降等于比较器设定的闽值电压时，双稳态电路复位，即Q端为0。此时VT截止，电感LT中储存的能量通过一极管VD1供给负载，同时对C进行充电。输出的电压由分压器R1和R2分压后输入误差放大器，并与基准电压一起去控制脉冲宽度，由此而获得所需要的电压，即式中：VR——基准电压。

　　DC-DC电路PCB设计要求：

　　PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

　　在设计印刷线路板时，设计工程师都会仔细思考铜线的走线方式和元器件的放置问题。如果没有充分考虑这两点，印刷线路板的效率、输出电流、输出纹波及其它特性都将会受到影响。产生这些影响的两个主要原因则是地线（GND、VSS）和电源线（+B、VCC、VDD）的连接，如果地线及电源线设计合理，电路将能正常地工作，获得较好的性能指标，否则会产生干扰、性能指标恶化等问题。本文就DC/DC转换器的设计，介绍一些通用的设计原则和地线连接方法。