【導(dǎo)讀】在模擬和數(shù)字電路之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線和有線的互連使得電路設(shè)計(jì)越加復(fù)雜，需要系統(tǒng)工程師使用多個(gè)電源軌和混合電路設(shè)計(jì)。具有模擬和數(shù)字信號(hào)的電路一般傾向于設(shè)置幾個(gè)接地參考，這樣經(jīng)常導(dǎo)致電路雜亂無(wú)章，設(shè)計(jì)目的無(wú)法實(shí)現(xiàn)，表面上看上去很可靠的方案卻最終成為故障之源。那么有好的方法嗎？
隨著電子產(chǎn)品尺寸變得越來越緊湊、功能越來越強(qiáng)大、用途更加廣泛，最終的系統(tǒng)級(jí)要求，以及移動(dòng)和固定設(shè)備的復(fù)雜性也變得日益突出。這種復(fù)雜性來源于要求在模擬和數(shù)字電路之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線和有線的互連，需要系統(tǒng)工程師使用多個(gè)電源軌和混合電路設(shè)計(jì)。具有模擬和數(shù)字信號(hào)的電路一般傾向于設(shè)置幾個(gè)接地參考，這樣經(jīng)常導(dǎo)致電路雜亂無(wú)章，設(shè)計(jì)目的無(wú)法實(shí)現(xiàn)，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(fù)雜電路系統(tǒng)堅(jiān)實(shí)的工程化基礎(chǔ)，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)施來優(yōu)化性能和散熱問題，同時(shí)減少EMI輻射和信號(hào)的噪聲干擾。本文將從功率傳輸?shù)慕嵌葋黻U述如何優(yōu)化復(fù)雜電路，以便能夠改善信號(hào)完整性，使各個(gè)功能模塊正確接地來實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這里將重點(diǎn)放在理解電路的需求和預(yù)先規(guī)劃最終的系統(tǒng)，因?yàn)檫@兩個(gè)步驟的結(jié)果是有效地把圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的印刷電路板。在設(shè)計(jì)階段花一些時(shí)間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來考慮一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊，然后根據(jù)電流總是在一個(gè)循環(huán)回路中流動(dòng)的簡(jiǎn)單公理來設(shè)置這些模塊及供電電路，這樣當(dāng)今系統(tǒng)工程師所面對(duì)的復(fù)雜電路就可以分解為許多可管理的部分，以便實(shí)現(xiàn)最終的可靠設(shè)計(jì)。
簡(jiǎn)單電路的電源和接地分析
為了證明該理論，讓我們來看一個(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)線性調(diào)節(jié)器，一個(gè)微處理USB數(shù)據(jù)線接到音頻驅(qū)動(dòng)器，和一個(gè)揚(yáng)聲器，所有這些都由一個(gè)連接到某個(gè)計(jì)算主機(jī)的USB插頭供電。在本例中，USB到音頻驅(qū)動(dòng)器必須用3.3V供電。由于揚(yáng)聲器采用音頻驅(qū)動(dòng)器的輸出供電，所以音頻輸入驅(qū)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)顯而易見的結(jié)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(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作的電流在返回到電流源驅(qū)動(dòng)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓反彈，該電壓反彈會(huì)反過來作用于LDO并最終影響到USB連接器。在本例中，把USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音樂的基準(zhǔn)電壓會(huì)以音樂播放的速率反彈。由于揚(yáng)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(dǎo)致紋波出現(xiàn)，這將降低揚(yáng)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(jié)點(diǎn)到GND引腳之間，這樣一來該電容器被置于這些節(jié)點(diǎn)的中心位置。減少紋波應(yīng)該針對(duì)所感興趣的頻率，在本例中的情況下，為可聽范圍<20kHz。可以通過電容電流等式(1)來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(dá)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(yīng)該被視為可聽頻率12~14kHz的平均值)。通過在各IC之間使用較寬的電源和GND連接來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和電源線的寬度應(yīng)當(dāng)根據(jù)可接受的損耗來確定。對(duì)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。由于此問題不能總是通過添加電容去緩解，而應(yīng)該采用Figure 1(b)中的方案來從根本上解決。LDO是放在音頻驅(qū)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(qū)動(dòng)GND，這樣產(chǎn)生的GND電壓反彈不會(huì)影響音頻驅(qū)動(dòng)，只有小的紋波干擾出現(xiàn)。
[page]
復(fù)雜電路的電源和接地優(yōu)化策略
在上面的應(yīng)用案例中，只有兩個(gè)電流回路?，F(xiàn)在，我們換一個(gè)更復(fù)雜的例子。下面考慮的是一個(gè)較為復(fù)雜的平板電腦系統(tǒng)。在本例中，平板電腦包括背光、觸屏、攝像頭、充電系統(tǒng)(USB和無(wú)線)、藍(lán)牙、WiFi、音頻輸出(揚(yáng)聲器，耳機(jī))、以及用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。當(dāng)然，這些應(yīng)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(tǒng)具有五個(gè)電源軌和兩種給電池充電的方法，這意味著至少會(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(yīng)用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，廣播和接收天線系統(tǒng)，所有這些都需要使用微處理器來協(xié)調(diào)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(fù)載電流評(píng)估進(jìn)行匯總，從而實(shí)現(xiàn)以下目的：
1.考慮元件的額定功率和公差
2.確定連接寬度
3.確定對(duì)電壓降、噪聲引入或產(chǎn)生的敏感度
4.限制電流環(huán)路面積以減少EMI輻射
在圖2中，主電源軌已被顏色編碼，流經(jīng)相應(yīng)GND符號(hào)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(diào)節(jié)器供電，而它是由5V Boost調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器，然后到達(dá)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(tǒng)采用了一個(gè)鋰離子電池，通過USB充電器或無(wú)線功率發(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(jī)變焦馬達(dá)、針對(duì)微處理器的+3.3V降壓調(diào)節(jié)器、音頻和觸摸屏)，可降壓到+ 1.2V(用于微處理器、存儲(chǔ)器、藍(lán)牙和WiFi)，也可升壓到+ 7V用于相機(jī)閃光燈。顯然，電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)放在各自的負(fù)載附近，但最終由于產(chǎn)品形狀尺寸的限制，通常迫使設(shè)計(jì)者把負(fù)載放在距離電源較遠(yuǎn)的位置，或在電路板周圍混雜放置。可以看出，每個(gè)電源需要支持多個(gè)負(fù)載，因此必須采用精心策劃的布線和布局方案來控制電流路徑和無(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(jī)械方面的約束，ⅲ）電源和GND軌可接受的電壓降(負(fù)載電流和跡線/平面正方形數(shù)目的乘積)，ⅳ）電源和GND電流路徑，以及v）成本(PCB層數(shù)，組件)，ⅵ）數(shù)字或模擬信號(hào)的頻率，以及從電源直接返回路徑的可行性。
[page]
作為最后一個(gè)案例，這里介紹一個(gè)假設(shè)的具有機(jī)械約束的最終系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，用戶界面和整體尺寸會(huì)給設(shè)計(jì)帶來一些限制。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(yīng)用模塊和布局。
圖3中的每個(gè)電源都被顏色編碼以便區(qū)分，圖中最重要的部分是彩色標(biāo)識(shí)的GND返回電流。因?yàn)槎鄠€(gè)電源是串聯(lián)的，導(dǎo)致每個(gè)最終負(fù)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(diào)節(jié)器加電，該調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器器GND端。如果未能預(yù)見到全部的電流回路和電流路徑完成的次序，就可能導(dǎo)致電路運(yùn)行不穩(wěn)定，或者沒有足夠的GND電流返回，原因是這些問題沒有在電路布局中適當(dāng)?shù)乜紤]到并加以控制。
例如，可以很容易地想到系統(tǒng)工程師會(huì)把藍(lán)牙和WiFi天線放置在相機(jī)和閃光燈的位置。由照相機(jī)與無(wú)線/藍(lán)牙模塊的位置顛倒產(chǎn)生的問題是，即使+ 1.2V電源仍然可正常地把電力分開來提供給那些需要的模塊，高頻藍(lán)牙和WiFi的GND返回電流會(huì)直接流過微處理器/存儲(chǔ)器模塊的下方，由此可把與天線相關(guān)的紋波電流和電壓反彈直接引入到高頻微處理器GND和存儲(chǔ)器存取。這將導(dǎo)致電池溫度的模-數(shù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，可能會(huì)破壞揚(yáng)聲器的立體聲音質(zhì)，影響相機(jī)的分辨率，并導(dǎo)致存儲(chǔ)器錯(cuò)誤，以至于數(shù)據(jù)丟失。通過比較，如圖中所畫部分所示，從BUCK1.2V調(diào)節(jié)器到每個(gè)獨(dú)立的負(fù)載和返回電源路徑(在這種情況下為BUCK1.2V)，WiFi /藍(lán)牙電源和GND電流將保持獨(dú)立并且采取并聯(lián)方式，避免了所有上述問題。
值得注意的是，上述所列出的各例中都假設(shè)采用一個(gè)單一的GND，并且被畫在一個(gè)銅平面上，該平面在一個(gè)PCB層中為連續(xù)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，之后使用組件來連接GND平面及控制電流路徑。特意的模塊布局已經(jīng)開始得到實(shí)施，因?yàn)檫@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)的線路必須要有一個(gè)返回路徑，而返回路徑應(yīng)盡可能地接近正電位形式的信號(hào)，并且會(huì)被分配到源信號(hào)/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(jié)論，單點(diǎn)接地方法是PCB設(shè)計(jì)的理想和首選方法，因?yàn)樗@著減少了元件數(shù)量，電路板層數(shù)和潛在的輻射：每段線路和模塊應(yīng)該在PCB板上具有盡可能短的返回路徑。按照此指導(dǎo)原則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需要從正確的走線寬度、組件和模塊的智能布局等角度來控制PCB設(shè)計(jì)。他沒有必要去檢查每一段線路，或搭建多個(gè)實(shí)驗(yàn)板以獲得正確的電源、信號(hào)和GND方案。單一、不間斷的GND平面層帶來的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該平面的連續(xù)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(xiàn)較低的工作溫度。
結(jié)論
用于驅(qū)動(dòng)任何電路的任何信號(hào)(或電源)，必須有適當(dāng)?shù)穆窂椒祷氐皆搭^。電路設(shè)計(jì)人員必須考慮源和接地方案以正確地實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)方案。在實(shí)施階段考慮負(fù)載和負(fù)載類型是至關(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(qū)域，布局和定位那些電流通路是實(shí)現(xiàn)有效和高效電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
