電路接地與供電模塊原理解析

　　隨著(zhù)電子產(chǎn)品尺寸變得越來(lái)越緊湊、功能越來(lái)越強大、用途更加廣泛，最終的系統級要求，以及移動(dòng)和固定設備的復雜性也變得日益突出。這種復雜性來(lái)源于要求在模擬和數字電路之間實(shí)現無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)的互連，需要系統工程師使用多個(gè)電源軌和混合電路設計。具有模擬和數字信號的電路一般傾向于設置幾個(gè)接地參考，這樣經(jīng)常導致電路雜亂無(wú)章，設計目的無(wú)法實(shí)現，表面上看上去很可靠的方案卻最終成為故障之源。這里將重點(diǎn)放在理解電路的需求和預先規劃最終的系統，因為這兩個(gè)步驟的結果是有效地把圖紙轉變?yōu)樽罱K的印刷電路板。在設計階段花一些時(shí)間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來(lái)考慮一個(gè)復雜系統的每個(gè)功能模塊，然后根據電流總是在一個(gè)循環(huán)回路中流動(dòng)的簡(jiǎn)單公理來(lái)設置這些模塊及供電電路，這樣當今系統工程師所面對的復雜電路就可以分解為許多可管理的部分，以便實(shí)現最終的可靠設計。

　　簡(jiǎn)單電路的電源和接地分析

　　為了證明該理論，讓我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的電路并考慮所示的連接。該基本電路包括三個(gè)要素，一個(gè)低壓差（LDO）線(xiàn)性調節器，一個(gè)微處理USB 數據線(xiàn)接到音頻驅動(dòng)器，和一個(gè)揚聲器，所有這些都由一個(gè)連接到某個(gè)計算主機的USB插頭供電。在本例中，USB到音頻驅動(dòng)器必須用3.3V供電。由于揚聲器采用音頻驅動(dòng)器的輸出供電，所以音頻輸入驅動(dòng)器需要+3.3V LDO，其由USB連接器供電（+5V），這似乎可以得到一個(gè)顯而易見(jiàn)的結論，即可將它們放置在圖1（a）原理圖所示的位置。但是，在這種框架下，驅動(dòng)揚聲器工作的電流在返回到電流源驅動(dòng)器時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓反彈，該電壓反彈會(huì )反過(guò)來(lái)作用于LDO并最終影響到USB 連接器。在本例中，把USB數據轉換為音樂(lè )的基準電壓會(huì )以音樂(lè )播放的速率反彈。由于揚聲器電感所產(chǎn)生的相移會(huì )增大誤差，這將和由于電流提升產(chǎn)生的高音量混合在一起。電壓反彈也將導致紋波出現，這將降低揚聲器發(fā)出的音質(zhì)。

　　這將減少到達DC的紋波，之后電流只引起電壓降，并且不會(huì )隨時(shí)間而變化很多（上面等式中的Δt應該被視為可聽(tīng)頻率12~14kHz的平均值）。通過(guò)在各IC之間使用較寬的電源和GND連接來(lái)限制由歐姆定律所得到的電壓降值（電流與電阻的乘積），可控制誤差的大小。

　　圖1：一個(gè)簡(jiǎn)單的電路表明電源電路會(huì )引起反彈，而且會(huì )返回電源。

　　GND和電源線(xiàn)的寬度應當根據可接受的損耗來(lái)確定。對于典型的1盎司銅印刷電路板，其電阻可以估算大約為每平方0.5mΩ。由于此問(wèn)題不能總是通過(guò)添加電容去緩解，而應該采用Figure 1（b）中的方案來(lái)從根本上解決。LDO是放在音頻驅動(dòng)IC的上方，可以使立體聲電流回路避免了敏感的音頻驅動(dòng)GND，這樣產(chǎn)生的GND電壓反彈不會(huì )影響音頻驅動(dòng)，只有小的紋波干擾出現。

　　復雜電路的電源和接地優(yōu)化策略

　　在上面的應用案例中，只有兩個(gè)電流回路?，F在，我們換一個(gè)更復雜的例子。下面考慮的是一個(gè)較為復雜的平板電腦系統。在本例中，平板電腦包括背光、觸屏、攝像頭、充電系統（USB和無(wú)線(xiàn)）、藍牙、WiFi、音頻輸出（揚聲器，耳機）、以及用于存儲數據的存儲器。當然，這些應用的大部分都需要不同電壓的電源軌以便更好地工作。如圖2所示，該系統具有五個(gè)電源軌和兩種給電池充電的方法，這意味著(zhù)至少會(huì )有五個(gè)電流回路。但相比直流電源，以及相關(guān)的各條電流路徑，實(shí)際應用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器，廣播和接收天線(xiàn)系統，所有這些都需要使用微處理器來(lái)協(xié)調和控制。展示的與電源和它們供電的模塊相關(guān)聯(lián)的電源路徑和GND路徑，有助于將電源和負載電流評估進(jìn)行匯總，從而實(shí)現以下目的：

　　在圖2中，主電源軌已被顏色編碼，流經(jīng)相應GND符號處的電流已被匹配到提供電流的電源軌。例如，每一個(gè)與電池充電不相關(guān)的部件（紅色），有一個(gè)端電流返回到電池，但USB到音頻IC由3.3V BUCK調節器供電，而它是由5V Boost調節器供電的，之后接到電池。因此，GND電流從音頻IC按先后順序返回到各調節器，然后到達電池，音頻IC電流不會(huì )直接返回到電池。

　　圖2：典型的移動(dòng)平板電腦示意圖模塊。

　　圖2所示的系統采用了一個(gè)鋰離子電池，通過(guò)USB充電器或無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器和接收器可以進(jìn)行充電。電池電壓可被升壓到+ 5V（用于相機變焦馬達、針對微處理器的+3.3V降壓調節器、音頻和觸摸屏），可降壓到+ 1.2V（用于微處理器、存儲器、藍牙和WiFi），也可升壓到+ 7V用于相機閃光燈。顯然，電壓調節器應放在各自的負載附近，但最終由于產(chǎn)品形狀尺寸的限制，通常迫使設計者把負載放在距離電源較遠的位置，或在電路板周?chē)祀s放置?？梢钥闯?，每個(gè)電源需要支持多個(gè)負載，因此必須采用精心策劃的布線(xiàn)和布局方案來(lái)控制電流路徑和無(wú)意產(chǎn)生的EMI。這里是一些重要的布局考慮因素：i）可用的空間，ⅱ）機械方面的約束，ⅲ）電源和GND軌可接受的電壓降（負載電流和跡線(xiàn)/平面正方形數目的乘積），ⅳ）電源和GND電流路徑，以及 v）成本（PCB層數，組件），ⅵ）數字或模擬信號的頻率，以及從電源直接返回路徑的可行性。

　　作為最后一個(gè)案例，這里介紹一個(gè)假設的具有機械約束的最終系統。在這樣的系統中，用戶(hù)界面和整體尺寸會(huì )給設計帶來(lái)一些限制。圖3示出了每一個(gè)模塊的實(shí)際位置：

　　圖3：典型的移動(dòng)平板電腦應用模塊和布局。

　　圖3中的每個(gè)電源都被顏色編碼以便區分，圖中最重要的部分是彩色標識的GND返回電流。因為多個(gè)電源是串聯(lián)的，導致每個(gè)最終負載和GND電流被迫以它們被加電時(shí)相同的順序去完成返回路徑。例如，電池為BUCK1.2V調節器加電，該調節器為微處理器供電。因此，流經(jīng)微處理器的電流在返回到電池之前，將直接返回到BUCK1.2V調節器器GND端。如果未能預見(jiàn)到全部的電流回路和電流路徑完成的次序，就可能導致電路運行不穩定，或者沒(méi)有足夠的 GND電流返回，原因是這些問(wèn)題沒(méi)有在電路布局中適當地考慮到并加以控制。

　　值得注意的是，上述所列出的各例中都假設采用一個(gè)單一的GND，并且被畫(huà)在一個(gè)銅平面上，該平面在一個(gè)PCB層中為連續和不間斷的。此接地平面由電路中所有的模塊共享，而不是隔分GND平面，或把它分離為多個(gè)子部分，之后使用組件來(lái)連接GND平面及控制電流路徑。特意的模塊布局已經(jīng)開(kāi)始得到實(shí)施，因為這種方法使用自然的電流流動(dòng)可以使電路屏蔽免受不需要的GND反彈影響。任何承載電流或電壓（正電位）的線(xiàn)路必須要有一個(gè)返回路徑，而返回路徑應盡可能地接近正電位形式的信號，并且會(huì )被分配到源信號/電源軌下方的GND平面上。

　　在理解了電流的流動(dòng)和最小化電流環(huán)路的概念后可以得到一個(gè)明顯的結論，單點(diǎn)接地方法是PCB設計的理想和首選方法，因為它顯著(zhù)減少了元件數量，電路板層數和潛在的輻射：每段線(xiàn)路和模塊應該在PCB板上具有盡可能短的返回路徑。按照此指導原則，系統設計人員只需要從正確的走線(xiàn)寬度、組件和模塊的智能布局等角度來(lái)控制PCB設計。他沒(méi)有必要去檢查每一段線(xiàn)路，或搭建多個(gè)實(shí)驗板以獲得正確的電源、信號和GND方案。單一、不間斷的GND平面層帶來(lái)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該平面的連續性允許產(chǎn)生的熱量均勻地散布在整個(gè)PCB表面，從而實(shí)現較低的工作溫度。

　　用于驅動(dòng)任何電路的任何信號（或電源），必須有適當的路徑返回到源頭。電路設計人員必須考慮源和接地方案以正確地實(shí)現最終的系統方案。在實(shí)施階段考慮負載和負載類(lèi)型是至關(guān)重要的，這樣可以使那些引起電壓反彈的電流路徑得到控制。在GND噪聲不影響PCB性能的區域，布局和定位那些電流通路是實(shí)現有效和高效電路設計的關(guān)鍵。