復雜電路接地和供電的實(shí)用方法

本文將從功率傳輸的角度來(lái)闡述如何優(yōu)化復雜電路，以便能夠改善信號完整性，使各個(gè)功能模塊正確接地來(lái)實(shí)現最終的系統設計。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。

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。

為了打牢復雜電路系統堅實(shí)的工程化基礎，必須要使電源和接地解決方案主動(dòng)地去按照工程化要求實(shí)施來(lái)優(yōu)化性能和散熱問(wèn)題，同時(shí)減少EMI輻射和信號的噪聲干擾。本文將從功率傳輸的角度來(lái)闡述如何優(yōu)化復雜電路，以便能夠改善信號完整性，使各個(gè)功能模塊正確接地來(lái)實(shí)現最終的系統設計。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)。

有兩種方法可盡量減少紋波電流的影響。一是通過(guò)在非常接近USB到音頻IC處增加一個(gè)電容(C1)，使其接在VLDO節點(diǎn)到GND引腳之間，這樣一來(lái)該電容器被置于這些節點(diǎn)的中心位置。減少紋波應該針對所感興趣的頻率，在本例中的情況下，為可聽(tīng)范圍20kHz?？梢酝ㄟ^(guò)電容電流等式(1)來(lái)選取電容值以便盡量降低LDO的紋波電流，直至干擾完全去除。

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：