1、常用電子電路設(shè)計,馬 駿 2014.7,1,目錄,常用電源設(shè)計 振蕩電路設(shè)計 通用運(yùn)放設(shè)計 常用開關(guān)驅(qū)動,2,常用單片機(jī)系統(tǒng)電源分類,線性電源 傳統(tǒng)三端穩(wěn)壓器：7805，7812等 低壓差線性電源(Low Drop Out voltage regulator) 直流開關(guān)電源：DC-DC 升壓型：Step-up，Boost 降壓型：Step-down，Buck 升降壓型：自適應(yīng) 電荷泵：Charge Pump 逆變電源(DC-AC)：EL冷光片,7/29/2020,3,線性穩(wěn)壓器基本工作原理,原理框圖,7/29/2020,調(diào)整管Q： - 傳統(tǒng)三端：PNP - LDO：PMOS,4,線性電源應(yīng)用單

2、一電壓輸出,固定輸出模式,可調(diào)整輸出模式,7/29/2020,5,線性電源應(yīng)用雙電源輸出,單一穩(wěn)壓源模式,雙穩(wěn)壓源模式,7/29/2020,6,傳統(tǒng)三端穩(wěn)壓器與LDO的比較,傳統(tǒng)三端穩(wěn)壓器與LDO,7/29/2020,7,線性穩(wěn)壓源器件選擇,器件選擇的注意點(diǎn) VIN/VOUT端電壓及紋波 功耗：最大功率，靜態(tài)電流 器件選擇注意事項(xiàng) 電容耐壓值 鋁電解：最小1.7倍工作電壓(交流取有效值)，可適當(dāng)提高到2倍 鉭電容：2倍峰值電壓 反饋電流設(shè)計： 510 Iq,7/29/2020,8,PCB布板要求,輸入與輸出隔離 Cin，Cout，IC三者GND直接相連 電流流向Vin CinICCoutVou

3、t,7/29/2020, Good, ,不足,9,PCB布板要求,散熱： P = (Vin Vout) * Iout 輸入6V，輸出4V，最大電流500mA，則三端穩(wěn)壓器上最大散熱會達(dá)到1W 設(shè)計散熱通道： 熱源四周有充足的散熱空間(勿放置在邊角) 散熱PAD(80%熱能通過Thermal PAD傳導(dǎo))直接與大面積鋪銅相連 過孔是良好的散熱通道，把熱量傳導(dǎo)到其他層面 借助外力：散熱片，導(dǎo)熱膠等等,7/29/2020,10,直流開關(guān)電源,升壓型(Boost)DC-DC基本原理,7/29/2020,K1,K2,A,B,K1,K2,A,B,11,DC-DC Boost實(shí)例,7/29/2020,TI

4、LMR62014,12,Boost DC-DC典型應(yīng)用電路,7/29/2020,開關(guān)MOS管：IC內(nèi)置 L1：儲能電感(Power choke) D1：(即K2)防止反向 C2：儲能電容,13,降壓型(Step down/Buck)DC-DC,7/29/2020,降壓型DC-DC 基本工作原理,MOSFET：開關(guān)，內(nèi)置 L：儲能電感 Cout：儲能電容 Diode：環(huán)路回流，內(nèi)置,14,Buck典型應(yīng)用電路及效率圖,7/29/2020,15,DC-DC元件選型,DC-DC IC： 根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行選型 標(biāo)稱效率應(yīng)在90%以上，實(shí)測效率80% 外圍電路簡單：MOS，Diode內(nèi)置 Soft St

5、art功能：減小啟動時Inrush Current 串聯(lián)二極管 正向壓降小：肖特基二極管，鍺管 正向平均電流 反向恢復(fù)時間(Trr)：遠(yuǎn)低于開關(guān)振蕩周期,7/29/2020,16,DC-DC元件選型,儲能電感： 指定電感量：等效阻抗小(Q值高) 最大工作電流 工作頻率 封裝：Shielded方式EMC兼容性佳 儲能電容： Low ESR：提升效率,7/29/2020,17,PCB設(shè)計,7/29/2020,PCB設(shè)計： 布局緊湊，走線粗短(阻抗小，電流大) 開關(guān)電路屏蔽和隔離 反饋取樣端與開關(guān)電路部分隔離 盡可能多的鋪銅做散熱和屏蔽,18,實(shí)例,7/29/2020,19,PCB設(shè)計,7/29/2

6、020,20,電荷泵(Charge Pump),7/29/2020,Cycle1: Cx充電，V(Cx) = Vin,Cycle2: 輸出，Vout=Vin+V(Cx)=2Vin,電荷泵基本工作原理,21,電荷泵典型應(yīng)用電路,特點(diǎn)： Vout通常在Vin 23倍 Iout供電能力不高(100mA) 元件選型： Cx: Low ESR (X7R)，容量根據(jù)IC Datasheet選型 Cin: 2Cx Cout: 1050 Cx PCB設(shè)計 Cx靠近IC，走線短而粗,7/29/2020,22,DC-DC穩(wěn)壓電源比較表,7/29/2020,23,晶體振蕩電路,晶振的作用：為系統(tǒng)提供基本時鐘信號 晶

7、振種類： 諧振器: Resonator 石英晶體振蕩器: Crystal 壓控振蕩器: VCXO 溫度補(bǔ)償振蕩器: TCXO 其他: OXCO(恒溫), VCTCXO(壓控溫度補(bǔ)償) etc. 晶振的幾個重要參數(shù)： 頻率： 頻率偏移：常以ppm為單位 負(fù)載電容(CL) 串聯(lián)等效阻抗(ESR),7/29/2020,24,晶體振蕩電路,典型晶體振蕩電路 Rf：內(nèi)部反饋電阻 CL1/2：負(fù)載電容 Cs：寄生電容 Rext：外部限流電阻 負(fù)載電容計算 晶振規(guī)格書CL標(biāo)稱值 推薦NP0或X7R, 5% MLCC,7/29/2020,25,晶體振蕩電路PCB設(shè)計,晶體振蕩電路是單片機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是

8、敏感電路，也是噪聲源 獨(dú)立布局，走線要短 附近要避免高頻，高噪，敏感信號 使用地線做隔離屏蔽,7/29/2020,26,PCB走線的分布電容,7/29/2020,一根20mm長，0.2mm寬，0.2mm間隔的走線，在FR4板上的分布電容約為：,27,PCB過孔的分布電容,7/29/2020,一個(D1)0.6mm Via Pad，鋪銅間隔(D2)1.0mm，在1.6mm FR4 PCB上的寄生電容是：,28,晶體振蕩電路PCB設(shè)計,7/29/2020,距離較遠(yuǎn)，兩次穿孔 走線穿越太多其他信號線 無隔離,29,通用運(yùn)算放大電路,通用運(yùn)放電路特性： 開環(huán)增益(DC voltage Gain)：80

9、dB (10000倍) 輸入電阻(Input Impedance): M級 輸入偏置電流(Input Bias Current): 極小，nA級 共模抑制比(CMRR)：6080dB 電源噪音抑制比(PSRR)： 60dB 運(yùn)放電路的分析方法 虛短：運(yùn)放處于線性區(qū)時，兩個輸入端電位相等，Vin- = Vin+ 虛斷：運(yùn)放處于線性區(qū)時，兩個輸入端視為等效開路 I- = I+ = 0,7/29/2020,30,反相/同相放大電路,7/29/2020,31,反相比例放大電路,加法器,減法器(R1=R4,R2=R3),7/29/2020,差分放大電路,混音電路,32,同相比例放大電路,7/29/202

10、0,33,差分放大電路,7/29/2020,傳遞函數(shù)推算過程,34,低通濾波器,7/29/2020,反相,同相,35,高通濾波器,7/29/2020,36,運(yùn)放的選擇,使用范圍 電源電壓 輸入/輸出信號范圍：Normal or Rail-to-Rail,7/29/2020,37,運(yùn)放的選擇,頻率特性 (Onsemi LM324),7/29/2020,38,運(yùn)放的選擇,其他指標(biāo),7/29/2020,39,運(yùn)放電路的設(shè)計,電路： 注意平衡，可有效抑制干擾 單級放大倍數(shù)不宜過高 增益越高，精密度和穩(wěn)定度越差 多級放大：前級10倍左右，主放大器50左右，不要超過100倍 微小信號放大：10倍左右 PC

11、B設(shè)計： 電源：濾波電容靠近運(yùn)放，走向電源電容運(yùn)放 布局：走線短，輸入端小信號走線需更加小心；布局無法克服的，輸入信號要并排走，作為共模輸入信號 模擬電路，需做相應(yīng)隔離,7/29/2020,40,開關(guān)驅(qū)動電路,用單片機(jī)輸出的小信號來控制大功率器件 馬達(dá) 繼電器 LED背光燈,7/29/2020,41,開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計,供電： 穩(wěn)壓源供電：電源/負(fù)載電流驅(qū)動能力 電池供電：確認(rèn)工作電壓范圍，如堿性電池是0.9V1.5V 三極管： 集電極電流驅(qū)動能力：Ic 放大倍數(shù)(hFE) 飽和壓降：Vce 開關(guān)速度,7/29/2020,42,開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計,二極管： 作用：電感線圈的泄放通路 反向耐壓值，正

12、向電流 電阻： 計算三極管基極電流，注意功率 電容： 濾除可能產(chǎn)生的雜波隱患 I/O選擇： 注意上電初始狀態(tài) 輸出H/L電平范圍,7/29/2020,43,舉例,充氣泵： 三極管：,7/29/2020,44,舉例,MCU： 默認(rèn)為Input的I/O：高阻態(tài) 電池端：4節(jié)堿性電池 3.66V，需設(shè)計電池電壓偵測電路，由軟件控制最低使用電壓不低于：3.6+0.25=3.85V 電阻選擇： Vr(min) = (3.3-0.4)-1.1 = 1.8V Ir(min) = 410/100=4.1mA R = 1.8/4.1=439 (可用430 ，推薦390 ) 最大功率：(3.3-0.83)2/39

13、0=0.0156W 390 ,5%/0603/0.1W,7/29/2020,45,附 錄,7/29/2020,46,電阻,7/29/2020,47,常用電阻類型比較,7/29/2020,48,電阻特性比較,貼片式,7/29/2020,49,電阻特性比較,引線式,7/29/2020,50,電阻的選型,精度要求 常用的厚膜電阻為5%，1%以下用薄膜電阻 不建議設(shè)計高于0.1%精度要求(環(huán)境變化難以控制) 溫漂 低溫漂的選用薄膜電阻(金屬皮膜電阻) 一般碳膜與陶瓷電阻溫度系數(shù)為負(fù)值 功率 功率取決于封裝 設(shè)計時應(yīng)降額80%,7/29/2020,51,無極性電容：MLCC,貼片MLCC類型：,7/29

14、/2020,52,有極性電容：鋁電解,鋁電解電容： 鋁電解電容是由鋁圓筒做負(fù)極，里面裝有液體電解質(zhì)，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成。還需要經(jīng)過直流電壓處理，使正極片上形成一層氧化膜做介質(zhì)。它的特點(diǎn)是容量大，但是漏電大，穩(wěn)定性差，有正負(fù)極性，適宜用于電源濾波或者低頻電路中。使用的時候，正負(fù)極不要接反 在濾波電路中，電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。另外還要注意的一個問題是工作電壓裕量，一般來說要在15%以上 壽命：首先要明確一點(diǎn)，鋁電解電容一定會壞，只是時間問題。影響電容壽命的原因有很多，過電壓，逆電壓，高溫，急速充放電等等，正常使用的情況下，最大的影響就是溫度，因?yàn)闇囟仍礁唠娊庖旱膿]發(fā)

15、損耗越快。,7/29/2020,53,有極性電容：鉭電解,鉭電容： 電解電容的一種，使用金屬鉭做介質(zhì)。由于電容內(nèi)部沒有電解液，很適合在高溫下工作。在鉭電容器工作過程中，具有自動修補(bǔ)或隔絕氧化膜中的疵點(diǎn)所在的性能，使氧化膜介質(zhì)隨時得到加固和恢復(fù)其應(yīng)有的絕緣能力，而不致遭到連續(xù)的累積性破壞。這種獨(dú)特自愈性能，保證了其長壽命和可靠性的優(yōu)勢。 鉭電容的性能優(yōu)異，是電容器中體積小而又能達(dá)到較大電容量的產(chǎn)品，在電源濾波、交流旁路等用途上少有競爭對手 一般工業(yè)領(lǐng)域，工作電壓選擇耐壓值的50%；針對小型化要求較高的場合，也要保留6070%耐壓余量,7/29/2020,54,常用電感,引線式式電感： 按有無鐵心：空心線圈，磁心線圈 按繞線型式：單層線圈，多層線圈，蜂房式線圈 按工作性質(zhì)：振蕩線圈，扼流線圈，陷波線圈等,7/29/2020,55,常用電感,貼片式電感： 繞線型：電感范圍廣，精度高，損耗小(Q值大)，容許電流大 疊層型：小型化，磁屏蔽好，可靠性好。Q值小，感量小 薄膜片式：微波頻段保持高Q值，高精度，高穩(wěn)定型 編織型：1MHz