浅议低功耗、低噪声电源电路设计经验和感想 - 全文

　　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。电源管理是系统设计的最后部分。图1显示了如何为信号路径供电的实例系统。

　　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，最好有中文的，样品可以申请的，最好有免费的，供货周期短的，最好不 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：

　　LDO 器件选择

　　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。

　　我现在用的是S-1206系列，日本的，用日货，没有办法，SOT23，路过的朋友介绍一个国货给我，质量要好的，还有R1180X系列，好像也是日本的。以上都是5ua以下的IQ值。

　　但是做RF的LDO，就需要考虑：噪声抑制了，因为RF这玩意对噪声的敏感度太高了。

　　电源抑制比PSRR （Power supply ripple rejection ratio））是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

图2，电源抑制比（PSRR）是对从输入到输出纹波/噪声的衰减度量
 

　　并不意外的是，电源影响模拟信号完整性，这最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。低噪声和低纹波的电源还能改善信号路径性能。

　　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绝对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最小：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最小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。PLL电源和模拟电源对噪声和纹波最敏感。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最小化。

　　正确的电源选择可以降低对信号路径IC的噪声和纹波影响。在选择一种电源时，设计师首先在开关变换器和线性稳压器之间作一个基本选择。开关转换器提供较高的频率，更高的频率意味着较低的整体系统功耗。线性稳压器提供一种易于使用的解决方案，同时降低电源轨的噪声/纹波。使用线性稳压器降低噪声和纹波可以改善信号路径性能。

　　毫无疑问，在便携式无线产品里，即需要自身工作耗电电流小的，又需要PSRR大的LDO，但是目前市面上的LDO产品，能兼顾到这两个指标的产品很少，本人找到一个S1167的LDO，工作自身耗电为9UA，PSRR为70dB，应该说是比较兼顾这两个指标的，但是是日本货。

　　单单是考虑到PSRR，而IQ在45左右都无所谓的话，用AS1361是不错的，PSRR可到90dB以上。

　　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. 如要求小型化，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。

　　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。因此，效率是由线圈性能提升与开关损失增加两方面折衷决定的。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：如果需要追求高效率，最好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：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，所以请选择最适合的容量。

　　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（实际电路中为三极管或者场效应管），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（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），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（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

　　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。

　　在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小;当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。这就是开关电源效率高的原因。

　　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。

　　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。

　　图1：基于基本设计原则的布线模式；图2：升压电路的PCB设计示例。图3：降压电路的PCB设计示例

　　设计原则

　　印制线走线方式和元器件的放置常常会影响电路的性能。以下提出了接地线设计的四个原则：

　　1. 用平面布线方式（planar pattern）接地；

　　2. 用平面布线方式接电源线；

　　3. 按电路图中的信号电流走向依序逐个放置元器件；

　　4. 实验获得的数据在应用时不应做任何调整，即使受板的尺寸或其它因素影响也应原样复制数据。

　　在设计中注意以上原则和要点，可以减少电路噪声和信号干扰。除了以上的基本原则外，在设计铜线走线模式和元件放置时应谨记以下两点：布线之间会产生杂散电容;连线长度会产生阻抗。在设计中注意线间杂散电容和缩短布线长度有利于消除噪声，减少辐射的产生。

　　在上面的几个基本原则基础上，设计工程师应注意以下几点（参见图1）：

　　1. 根据电路原理图进行元件的布局，输入电流线和输出电流线应进行区别；

　　2. 合理放置元器件，保证它们之间的连线最短，以减少噪声；

　　3. 在电压变化很大和流过大电流的地方应小心设计以降低噪声；

　　4. 如果电路中采用了线圈和变压器，必须小心进行连接；

　　5. 电路设计时，将元器件放置在同一方向，便于回流焊接；

　　6. 元器件间或元器件焊盘和焊盘间必须保证0.5毫米以上的间隙，避免出现桥接。

　　PCB设计示例

　　a. 升压转换器模式布线方式

　　在升压转换器中，输出电容（CL）的位置比其它元件更重要，参考图2。建议在PCB设计时注意以下两点：

　　1. 将输出电容尽可能与IC靠近，尽量减小电流回路。

　　2. 在PCB板的背面用平面布线方法进行地线连接，板背面的接地线应通过一个过孔与板正面的接地线相连。

　　b. 降压转换器布线方式

　　在降压电路设计中，肖特基二极管的位置很关键，见图3所示。在PCB设计中注意以下几点：

　　1. 肖特基二极管接地点设计将影响输出的稳定性；

　　2. 肖特基二极管阴极连接线的长度将影响输出的稳定性；

　　3. PCB背面用大面积铜箔作为地，通过过孔与正面地连接。