高速電路中的LDO電源芯片設計

高速電路中的電源設計

高速電路中的電源設計大概分為兩種，一種是集總式架構，一種是分布式架構。集總式架構就是由一個電源輸入，然后生成多種所需要的電壓。如圖1所示。這種架構會增加多個DC/DC模塊，這樣成本不可控，PCB面積也需要增加，但集總式分布架構可以提高整體電源轉換效率。

圖1 集總分布架構

分布式架構是先由一個模塊生成一個中間電壓，然后再去轉換成其他單板所需要的電壓，如圖2所示。第一級輸出可以要求有較大的噪聲和紋波，第二級電源輸出所需要的各種電源，這時必須考慮紋波和噪聲問題。但分布式也有一個問題就是涉及多級轉換，可能效率上不如集總式分布架構。

高速電路設計中，建議采用分布式架構。

圖2 分布式架構

LDO電源類型

圖3是LDO內(nèi)部結構圖。Vout由R1和R2兩個電阻進行捕獲，然后送往運算放大器A，在V+的電壓值與VREF進行比較，差值經(jīng)過運算放大器放大然后送給晶體管或MOSFET，以實現(xiàn)對Vout的調(diào)整，基本上是基于反饋原理，Vin的變化和負載的變化都會對Vout有影響。

LDO電源芯片需要注意的一點就是壓差（Dropout），負載電流若是需要越大，其壓差應該也越大。

LDO電源芯片還有一個問題就是功耗過大，P = （Vin - Vout）*I，在設計PCB是最好在LDO底部打些過孔，以增加散熱。

LDO芯片還應注意一點是接地電流（GND Pin Current）IGND這指的是靜態(tài)電流，是LDO內(nèi)部所消耗的電流。

在計算LDO功耗時，P應包括靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，動態(tài)功耗PD = （Vin - Vout）*I，靜態(tài)功耗PS = Vin *IGND（此電流是內(nèi)部消耗的電流）

圖3 LDO內(nèi)部結構圖

在設計電源時，應將電源擺放在一個區(qū)域內(nèi)，對于多層板，其相鄰層最好也不要走高速信號線，避免對于LDO芯片的芯片。

LDO電源芯片的濾波建議采用ESR較大的鉭電容加ESR較小的陶瓷電容搭配或者單獨用ESR較小的陶瓷電容去濾除噪聲。不建議用鋁電解去代替鉭電容，因為鋁電解電容的ESR過大，這樣會超過LDO對ESR的最大值要求。

DCDC電源類型

DC/DC電源的調(diào)制方式有PWM（脈沖寬度調(diào)制），PFM（脈沖頻率調(diào)制），以及PWM和PFM混合。目前市場上面是基于PWM居多。

已降壓為目的的DCDC電路稱為 BUCK電路，以升壓為目的的電路稱為BOOST電路，而以反相為目的的DCDC電路稱為BUCK-BOOST電路。

DCDC電源紋波噪聲

在高端芯片往往對電源的紋波和噪聲有一定的要求，紋波一般控制在電源電壓的1%之內(nèi)，噪聲控制在電源電壓的3%~5%之內(nèi)。DCDC的紋波和噪聲始終是電路設計的難題。

紋波是電源波動成分中的低頻成分，一般頻率在5MHz之內(nèi)的頻段，產(chǎn)生自MOSFET的開關動作。

噪聲指電源波動中的高頻成分，一般頻率高于5MHz，MOSFET的開關噪聲，隨機白噪聲，以及周圍的干擾等。

紋波和噪聲的處理方法有兩種方式：1）吸收式濾波器，由磁珠與電容的組合電路構成；2）反射式濾波器，由π，T，LC構成的濾波電路，反射式?jīng)]有從根本上去除噪聲，而是將噪聲返回給源端。如下圖4所示。

圖4 LC濾波電路

DCDC電源輸出

1）有時候電感會產(chǎn)生嘯叫，這可能是通過電感的電流太大導致，改進辦法，輸入增加上電緩起電路，輸出減少電感值。這個緩起電路可以利用RC進行構建。t = 2.2 RC。

2）在DCDC電路中，不應簡單關注輸出電壓部分，還應確保輸入電壓在上電過程不能太慢，也不能太快。

3）在設計電源時要確定大的電流回路，在此回路上，噪聲、紋波、電流都是最大的，需要注意，不能接入其他對上述三者影響較大的信號引腳。

保險絲

1）額定電流是保險管正常工作所能承受的最大電流。保險管選型時不能選的太大，也不能選的太小，太大對電路無保護作用，太小對電路正常工作有影響。保險絲在使用時應該對額定電流降額到75%使用。在選擇保險絲的額定電流時，應該先計算整個系統(tǒng)中所需要的最大電流IMAX（滿負載荷時），確定之后，選取保險絲的額定電流為 IMAX /75%使用。

2）直流電阻 P = I2 R，如果功耗過大，要考慮散熱問題。

3）額定電壓是指保險絲熔斷時所能承受的最大電壓，一般應大于整個系統(tǒng)輸入電壓。根據(jù)UL標準，在選擇保險絲的額定電壓時，應該降額80%，即若系統(tǒng)正常工作電壓為U，則保險絲的額定電壓最少要為U / 80%；

4）壓降，若芯片要求的電壓為U，保險絲的壓降為△U，那么電源的輸入電壓應為U + △U才能滿足要去。

5）熱能值 I2t指保險絲熔斷時所需要的熱能。