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凡亿专栏 | 设计硬件系统的时候优先考虑是什么?
设计硬件系统的时候优先考虑是什么?

         

我们在设计一个硬件系统的时候,首当其冲要考虑的是什么?

功耗!这是很容易被忽略的却格外重要的东西。这个问题反映在主电源上,就是要考虑电源的待载能力。很多时候我们想当然的假设电源的待载能力足够,从而忽略对于功耗的考量。

电源的待载能力可以分为两部分:瞬时待载能力和持续待载能力。

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瞬时待载能力是指电源在某一瞬间所能提供的最大供电电流。持续待载能力是指电源在持续的一段时间内,或者长时间可提供的最大供电电流。我们知道有很多瞬发电路,平时不工作的时候功耗极低,工作的某一时刻就会让负载瞬间抖动极大。这时候就要考验电源的瞬间待载能力是否过关了。

针对这种瞬时待载能力不能达标的电源,如果这个“瞬时”持续时间短的话,我们可以大致的计算一个能量范围,选取一颗大的电容就可以解决这个问题了。一般的经验值,预留在12V电源上一颗220UF的电解电容几乎可以解决绝大部分的瞬时待载能力不足的问题。

而持续待在能力就是考验电源的指标了,我们选择电源也要根据它的能力去选择。首先要根据单模块的功耗来选择分级电源;分别计算清楚每一块功能区域的功耗,按照效率折算到总输入端的电源上,从而来选取总电源的型号。而在走线上,也要注意电源出线尽量按照功耗计算宽度,并留有余量。同时,尽量在源端出线,走树形结构,而不是菊花链结构,这样能尽量避免不必要的并联网络带来的干扰。

1.常用的直流电源粗略来分有两大类:线性电源和开关电源。

这种分类的标准在于,电源内部的主MOS管是工作在线性区还是饱和区/截至区:如果MOS管工作在线性区,则为线性电源;如果MOS管在饱和区和截至区不断切换,则称其为开关电源。线性电源的典型代表为LDO(low dropout regulator);开关电源典型代表为DC/DC。

LDO是低压差线性稳压器,顾名思义,他要求输出电压比输入电压值稍低。通常用的LDO都是输入比输出大不过1V的情况,也有个别的可以到2V以上。而LDO输出电压只能低于输入电压,而不能比输入高。

下图是某LDO的内部示意图。

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主MOS管连接输入和输出端,通过反馈电路的动态调节,让输出电压跟随参考电压。这种结构也决定了LDO的特点:输出稳,发热高。

因为MOS管工作在放大区,不存在切换状态开关的情况,因此输出电压不会存在波动,纹波极小。输入和输出的差值所产生的能量,全部转换成MOS管的热能散出去了。可想而知,压差越大,负载越重,发热越高。所以,即便很多LDO支持高压差输出,也不建议在高于1V的场景使用,会导致局部过热,影响电源寿命。

DC/DC字面意思就是直流转直流转换器。主要细分三种:降压型buck、升压型boost、极性反转型buck-boost。

DCDC分类较多,这里就不赘述它的原理,只分析特点。DC/DC可以有升降压两种形态,当输出电压大于输入电压时,只能用DCDC;当压差较大时,也只能用DCDC。另外,由于内部MOS管不断在饱和区和截至区来回切换,以致于DCDC的电源噪声很大,纹波大,使用的时候要注意选取输出电容。

2. 那么如何选择合适系统的电源呢?要根据系统和电源的特点来选取。

首先选择电源种类。LDO因为其特点,适用于输入输出相差不大的、负载不太重的(经验输出电流500MA以下)、降压电路上。前两个限定词是在限制电源发热,后一个是电源本身根本做不到。如果满足了这三个特点,首选LDO,因为它的输出性能优秀,纹波小,噪声低。对于那种输入输出相差较大的、负载重的、升压系统中,只要占了其一,就只能选用DCDC。而使用DCDC的时候,输出端会常并一个104电容,稍微滤一下纹波。但由于本身特点决定,纹波性能如何优化也不会比LDO好,开关频率越高的产品,纹波干扰越大。

选定类型了,就要根据负载能吃多少电流来决定电源的规格。计算的时候一定要留有余量。如果是主供电源,一定要算好每一条支路的功耗总和,再折算到输入端计算功耗,需要注意的是,一定要把效率算上。电源在不同的应用环境中的效率不太一样,多数的DC/DC可以达到75%以上,有的做的更加优秀的平均效率可以到80%甚至85%以上。所以这时候一定要看好规格书里的参数,最好是要看各种情况下的效率曲线,比干巴巴的数字要直观得多。

3.电源的摆放和走线的注意事项

所有的电源,如果可以的话,尽量不要菊花链接法,尽量要从源端拉出来供电,就像上图第一条路径上的,经过12V和中间级DCDC两级电源才到负载。这样做法的效率会很低。当然,这个是说的尽量,有的电路可能是只能通过两级转换才能用的就另当别论了。在PCB布线上也是如此,同一个电源接多个负载的时候,尽量从输入端拉线,而不要从中间拉线。输入电容和输出电容对于DCDC和LDO也都是必须的,具体选型要根据厂家的规格书来看,并且尽量跟厂家沟通,因为他们才是最了解自己产品的,不要怕麻烦而不去沟通。而经验来看,在电源输入端摆放一颗104电容是有必要的,越近越好。

4.PCB布局

PCB布局大概分两种,一种是原有磨具,我们需要套壳的;另外一种是硬件先行,根据主板出堆叠重新开模的。第二种相对来讲自由度比较高,但也是万变不离其宗,有了正确的思路,摆件就是自由的。

对于套壳项目来讲,连接器位置固定,那么只能是根据连接器位置调整各核心器件位置。连接器摆好后,摆件顺序跟下同。

对于重新开模的项目:

1).首先要确定核心器件的摆放位置

2).要摆好核心功能、易干扰器件位置

两点一起写是因为要根据具体情况决定先后顺序。

如果板子相对小,面积有限。就要优先放核心器件。先把套片放进去,这里的套片主要指的CPU、MCP、PMIC和TRANSCEIVER,有的简单方案可能会不同器件集成在一起,根据实际情况调整。套片先放进去,再根据走线顺畅度来摆放相对位置和方向。核心器件摆好以后,再根据核心器件位置,摆放易干扰器件位置。

如果板子空间相对大一些,那么首先就要确认核心器件、易干扰器件的位置。这里的核心功能、易干扰器件,在通讯设备上主要指天线:2/3/4G射频天线、2.4G/5G WIFI天线等各样的天线。

我们知道所有的射频信号都娇气得很,而天线尤为敏感,摸不得碰不得,不能绕线不能打孔。而通讯类设备,射频性能的好坏是一个硬性指标。你做了个手机,总不能打不了电话吧?你做了个路由器,总不能传不了数据吧?因此,这种又核心又易受干扰的器件和它的走线,一定要仔细再仔细。

拿到板子,首先把天线净空区留足够,挑选最好的位置摆放天线。两根天线的,主副天线尽量相隔远一些。然后再根据天线位置摆放套片。做到最短路径、远离高干扰器件(主要指开关电源)。

3).确定电源位置

如果电源是集成在一起就是PMIC,如果分开的就是由LDO和DCDC分离摆放的。

PMIC摆放根据平台资料摆,主要就是远离天线和易受干扰的信号。

LDO摆放非常随意,因为它的纹波和辐射极小,不会造成干扰,所以采取就近原则,给谁供电摆谁旁边就好。

DCDC是个非常祸害人的家伙。性能强适用范围广决定它会被大量使用。但是它的污染是非常严重的,开关频率越高污染越强。所以DCDC一定要远离弱信号、易干扰信号摆放。并且一定要罩屏蔽罩!一定要罩屏蔽罩!一定要罩屏蔽罩!如果天线旁边摆了一个裸着的DCDC,那这个板子算是废了。。。

4).确定各连接器接口位置

各接口根据最短路径来确定,走线怎么顺怎么摆。

5).其他器件位置

最后剩下一些周边器件,或者功能器件,就看出线怎么顺怎么摆就好了,问题不大。

硬件系统的供电是硬件设计之初就应该重点考虑的问题。一个好的供电系统并不能在硬件中给人突出的惊艳感。但一个不合理的供电系统却会给整个硬件带来各种各样奇怪的问题,让你思路混乱,甚至不知道到底是哪里出现了问题。它就像空气,正常的时候,你从来察觉不到它的存在;一旦它不正常了,所有的设计都要推倒重来,导致整个硬件设计失败。

         

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