【導(dǎo)讀】本文講述的是現(xiàn)時(shí)混合訊號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)陷阱，并提供一些指引以清除或移開(kāi)它們。不過(guò)，在探討特定問(wèn)題和作出提議之前，先詳細(xì)看看系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩種潮流—小型化和高速化—如何影響這些問(wèn)題，會(huì)有很大的幫助。
1、“層(Layer) ”的概念
與字處理或其它許多軟件中為實(shí)現(xiàn)圖、文、色彩等的嵌套與合成而引入的“層”的概念有所同，Protel的“層”不是虛擬的，而是印刷板材料本身實(shí)實(shí)在在的各銅箔層?，F(xiàn)今，由于電子線路的元件密集安裝。防干擾和布線等特殊要求，一些較新的電子產(chǎn)品中所用的印刷板不僅有上下兩面供走線，在板的中間還設(shè)有能被特殊加工的夾層銅箔，例如，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)主板所用的印板材料多在4層以上。這些層因加工相對(duì)較難而大多用于設(shè)置走線較為簡(jiǎn)單的電源布線層（如軟件中的Ground Dever和Power Dever），并常用大面積填充的辦法來(lái)布線（如軟件中的ExternaI P1a11e和Fill）。上下位置的表面層與中間各層需要連通的地方用軟件中提到的所謂“過(guò)孔（Via）”來(lái)溝通。有了以上解釋，就不難理解“多層焊盤(pán)”和“布線層設(shè)置”的有關(guān)概念了。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，不少人布線完成，到打印出來(lái)時(shí)方才發(fā)現(xiàn)很多連線的終端都沒(méi)有焊盤(pán)，其實(shí)這是自己添加器件庫(kù)時(shí)忽略了“層”的概念，沒(méi)把自己繪制封裝的焊盤(pán)特性定義為”多層（Mulii一Layer）的緣故。要提醒的是，一旦選定了所用印板的層數(shù)，務(wù)必關(guān)閉那些未被使用的層，免得惹事生非走彎路。
2、過(guò)孔(Via)
為連通各層之間的線路，在各層需要連通的導(dǎo)線的文匯處鉆上一個(gè)公共孔，這就是過(guò)孔。工藝上在過(guò)孔的孔壁圓柱面上用化學(xué)沉積的方法鍍上一層金屬，用以連通中間各層需要連通的銅箔，而過(guò)孔的上下兩面做成普通的焊盤(pán)形狀，可直接與上下兩面的線路相通，也可不連。一般而言，設(shè)計(jì)線路時(shí)對(duì)過(guò)孔的處理有以下原則：
（1） 盡量少用過(guò)孔，一旦選用了過(guò)孔，務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過(guò)孔不相連的線與過(guò)孔的間隙，如果是自動(dòng)布線，可在“過(guò)孔數(shù)量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜單里選擇“on”項(xiàng)來(lái)自動(dòng)解決。
（2） 需要的載流量越大，所需的過(guò)孔尺寸越大，如電源層和地層與其它層聯(lián)接所用的過(guò)孔就要大一些。
3、焊盤(pán)( Pad)
焊盤(pán)是PCB設(shè)計(jì)中最常接觸也是最重要的概念，但初學(xué)者卻容易忽視它的選擇和修正，在設(shè)計(jì)中千篇一律地使用圓形焊盤(pán)。選擇元件的焊盤(pán)類型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動(dòng)和受熱情況、受力方向等因素。Protel在封裝庫(kù)中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤(pán)，如圓、方、八角、圓方和定位用焊盤(pán)等，但有時(shí)這還不夠用，需要自己編輯。例如，對(duì)發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤(pán)，可自行設(shè)計(jì)成“淚滴狀”，在大家熟悉的彩電PCB的行輸出變壓器引腳焊盤(pán)的設(shè)計(jì)中，不少?gòu)S家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤(pán)時(shí)除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：
（1）需要在元件引角之間走線時(shí)選用長(zhǎng)短不對(duì)稱的焊盤(pán)往往事半功倍；
（2）形狀上長(zhǎng)短不一致時(shí)要考慮連線寬度與焊盤(pán)特定邊長(zhǎng)的大小差異不能過(guò)大；
（3）各元件焊盤(pán)孔的大小要按元件引腳粗細(xì)分別編輯確定，原則是孔的尺寸比引腳直徑大0．2- 0．4毫米。
4、絲印層（Overlay）
為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面印刷上所需要的標(biāo)志圖案和文字代號(hào)等，例如元件標(biāo)號(hào)和標(biāo)稱值、元件外廓形狀和廠家標(biāo)志、生產(chǎn)日期等等。不少初學(xué)者設(shè)計(jì)絲印層的有關(guān)內(nèi)容時(shí)，只注意文字符號(hào)放置得整齊美觀，忽略了實(shí)際制出的PCB效果。他們?cè)O(shè)計(jì)的印板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區(qū)域被抹賒，還有的把元件標(biāo)號(hào)打在相鄰元件上，如此種種的設(shè)計(jì)都將會(huì)給裝配和維修帶來(lái)很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：”不出歧義，見(jiàn)縫插針，美觀大方”?！ ?nbsp;
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5、SMD的特殊性
Protel封裝庫(kù)內(nèi)有大量SMD封裝，即表面焊裝器件。這類器件除體積小巧之外的最大特點(diǎn)是單面分布元引腳孔。因此，選用這類器件要定義好器件所在面，以免“丟失引腳（Missing Plns）”。另外，這類元件的有關(guān)文字標(biāo)注只能隨元件所在面放置。
6、網(wǎng)格狀填充區(qū)（External Plane ）和填充區(qū)(Fill)
正如兩者的名字那樣，網(wǎng)絡(luò)狀填充區(qū)是把大面積的銅箔處理成網(wǎng)狀的，填充區(qū)僅是完整保留銅箔。初學(xué)者設(shè)計(jì)過(guò)程中在計(jì)算機(jī)上往往看不到二者的區(qū)別，實(shí)質(zhì)上，只要你把圖面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的區(qū)別，所以使用時(shí)更不注意對(duì)二者的區(qū)分，要強(qiáng)調(diào)的是，前者在電路特性上有較強(qiáng)的抑制高頻干擾的作用，適用于需做大面積填充的地方，特別是把某些區(qū)域當(dāng)做屏蔽區(qū)、分割區(qū)或大電流的電源線時(shí)尤為合適。后者多用于一般的線端部或轉(zhuǎn)折區(qū)等需要小面積填充的地方。
7、各類膜（Mask）
這些膜不僅是PcB制作工藝過(guò)程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）兩類。 顧名思義，助焊膜是涂于焊盤(pán)上，提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤(pán)略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況正好相反，為了使制成的板子適應(yīng)波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤(pán)處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤(pán)以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫?？梢?jiàn)，這兩種膜是一種互補(bǔ)關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中類似“solder Mask En1argement”等項(xiàng)目的設(shè)置了。
8、飛線，飛線有兩重含義：
自動(dòng)布線時(shí)供觀察用的類似橡皮筋的網(wǎng)絡(luò)連線，在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)表調(diào)入元件并做了初步布局后，用“Show 命令就可以看到該布局下的網(wǎng)絡(luò)連線的交叉狀況，不斷調(diào)整元件的位置使這種交叉最少，以獲得最大的自動(dòng)布線的布通率。這一步很重要，可以說(shuō)是磨刀不誤砍柴功，多花些時(shí)間，值！
另外，自動(dòng)布線結(jié)束，還有哪些網(wǎng)絡(luò)尚未布通，也可通過(guò)該功能來(lái)查找。找出未布通網(wǎng)絡(luò)之后，可用手工補(bǔ)償，實(shí)在補(bǔ)償不了就要用到“飛線”的第二層含義，就是在將來(lái)的印板上用導(dǎo)線連通這些網(wǎng)絡(luò)。要交待的是，如果該電路板是大批量自動(dòng)線生產(chǎn)，可將這種飛線視為0歐阻值、具有統(tǒng)一焊盤(pán)間距的電阻元件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì).
要想成功的運(yùn)用現(xiàn)在的SOC，板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)師必須了解如何最好地放置元件，布置走線，以及利用保護(hù)元件。
它們被稱為數(shù)碼式蜂窩電話，但其中所包含的模擬功能，比較起所謂的模擬蜂窩電話之前度品種還要多。事實(shí)上，需要處理連續(xù)狀態(tài)值（例如語(yǔ)音，影像，溫度，壓力等）的任何系統(tǒng)，都會(huì)有它的模擬功能，那怕是在其名字里出現(xiàn)數(shù)碼式這個(gè)詞語(yǔ)。今天的多媒體PC也毫無(wú)例外，它們有著語(yǔ)音和影像的輸入和輸出，對(duì)發(fā)熱的中央處理機(jī)進(jìn)行迫切的溫度監(jiān)示，以及高性能調(diào)制解調(diào)器，這些系統(tǒng)同樣地，其混合訊號(hào)功能清單上的項(xiàng)目也愈來(lái)愈多。
兩種系統(tǒng)的趨勢(shì)對(duì)於進(jìn)行混合設(shè)計(jì)的人們來(lái)說(shuō)，又帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。便攜式通訊和運(yùn)算器件的體積重量不斷減少，但又不斷地推高功能。而桌面系統(tǒng)又不斷提高中央處理機(jī)能力和通訊周邊的速度?？隙ǖ氖?，在設(shè)計(jì)現(xiàn)代的數(shù)碼電路板同時(shí)又要避免振鈴、噪聲引致的差錯(cuò)，和地電位跳動(dòng)等問(wèn)題，實(shí)在相當(dāng)困難的。但是，當(dāng)你添加那些易受噪聲影響的模擬訊號(hào)線路逼近於方波激勵(lì)的數(shù)碼式數(shù)據(jù)線路，問(wèn)題更為嚴(yán)重。
在芯片級(jí)，現(xiàn)時(shí)的SOC（芯片上的系統(tǒng)）需要有邏輯電路、模擬電路，以及熱動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方面的專才。要成功地使用這些IC，板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)師需要了解如何最好地放置元件，布置走線，以及利用保護(hù)元件。
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本文講述的是現(xiàn)時(shí)混合訊號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)陷阱，并提供一些指引以清除或移開(kāi)它們。不過(guò)，在探討特定問(wèn)題和作出提議之前，先詳細(xì)看看系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩種潮流—小型化和高速化—如何影響這些問(wèn)題，會(huì)有很大的幫助。
1、 “高速化”趨勢(shì)
將1999年中檔PC的規(guī)格與五年前的相比較，它的中央處理機(jī)速度提高了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，而由CPU消耗的電流也提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)你將高速度和大電流結(jié)合一起，V=L（di/dt）關(guān)系式中的“di/dt”部份大幅地提高。事實(shí)上，電路板中半寸長(zhǎng)的地線可能會(huì)感應(yīng)起超過(guò)1伏特的電壓於其上。對(duì)於轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，地電位參考線會(huì)感應(yīng)電壓的話，可能導(dǎo)致運(yùn)作停止。
為要達(dá)致這些更高的速度，IC在設(shè)計(jì)和制造上都采用深度次微米尺寸（例如0.35μm）。這雖然縮減了幾何尺寸而得到快得多的性能，但也會(huì)令這些器件更容易招致鎖上（latch-up）及由瞬變引起的損害。而且，這些器件也要求更緊逼的能源管理以符合愈來(lái)愈嚴(yán)格的允許電壓范圍。
現(xiàn)時(shí)的10／100Ethernet網(wǎng)絡(luò)介面卡（NIC）就是良好的例子，原來(lái)的10Base－T芯片是大尺寸的CMOS器件，對(duì)於過(guò)電壓損壞相對(duì)地是不那麼敏感的。然而，新型的芯片采用了0.35μm的線寬，對(duì)於鎖上以及因瞬變而失效非常敏感—因電能引致和雷電引致的瞬變。
現(xiàn)代的服務(wù)器，具有SMP（對(duì)稱多處理能力）的體系結(jié)構(gòu)，以及CPU以500MHz或以上的頻率來(lái)運(yùn)作，就是能源分布挑戰(zhàn)方面的好例子。你不可以簡(jiǎn)單地建造一個(gè)5V電源并把布線引到相應(yīng)的總線。以500MHz上限達(dá)20A或30A的電流開(kāi)關(guān)，它要求於每個(gè)使用點(diǎn)（point-of-use）實(shí)際上有獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器，還加上一個(gè)更大的一級(jí)電壓源對(duì)這些轉(zhuǎn)換器的全部進(jìn)行供電。
趨勢(shì)要求具有熱交換（hotswap）的能力，意味著你要能做到在現(xiàn)用系統(tǒng)里插入或除下電路板。這樣做也是預(yù)告會(huì)有瞬變產(chǎn)生的。如此一來(lái)，無(wú)論插入的板抑或主板都必須有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)作用。
無(wú)論小型化或高速化的趨勢(shì)都有其獨(dú)特的問(wèn)題。例如，大電流能源分布對(duì)於小型、便攜、手持式設(shè)備來(lái)說(shuō)，就不是個(gè)大問(wèn)題。而對(duì)於桌面電腦和服務(wù)器來(lái)說(shuō)，延長(zhǎng)的電池壽命也不會(huì)成為問(wèn)題。不過(guò)，鎖上和瞬變引致的損壞，在上述兩方面都成為問(wèn)題。
2、 “小型化”的趨勢(shì)
拿1999年的蜂窩電話與五年前的產(chǎn)品作個(gè)比較，芯片數(shù)目少得很多，重量和體積大幅減少，電池壽命大幅延長(zhǎng)。在這個(gè)進(jìn)程中，主要因素是混合訊號(hào)IC解決方案中有很大進(jìn)展。不過(guò)，隨著芯片幾何尺寸的縮減，電路板上布線的間距趨近，物理學(xué)的規(guī)律開(kāi)始呈現(xiàn)出來(lái)。
并行的走線愈來(lái)愈接近產(chǎn)生了愈來(lái)愈大寄生電容耦合，而這簡(jiǎn)直是和距離平方成反比關(guān)系的結(jié)果，以前只有少數(shù)幾根走線的空間，現(xiàn)在納入了許多走線，結(jié)果，甚至是不相鄰的走線之間的電容性耦合也會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。
蜂窩電話，由其性質(zhì)所決定，是被人拿著使用的設(shè)備。在低溫度的日子里，你正在地毯上走來(lái)走去，然後拿起蜂窩電話，接著“啪”—這就會(huì)把一個(gè)高電壓，靜電放電（ESD）脈沖傳到這個(gè)設(shè)備那里。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)，一個(gè)或多個(gè)IC有可能受到損壞。不過(guò)，增添外部元件來(lái)保護(hù)ESD的破壞又會(huì)與小型化趨勢(shì)相違背。
另一個(gè)問(wèn)題是能源管理，蜂窩電話用戶希望電池的兩次充電之間隔愈長(zhǎng)愈好。這意味著DC-至-DC轉(zhuǎn)換器必須是很高效率的。開(kāi)關(guān)技術(shù)是它的答案，但在此情況下，轉(zhuǎn)換器也成了它自己的潛在噪聲源。所以必須小心選擇、放置轉(zhuǎn)換器，也要小心進(jìn)行互連。還有，由於體積是不可忽視的因素，應(yīng)該選擇可以采用物理尺寸最小的無(wú)源元件的那種部件。如果采用線性穩(wěn)壓器的話，應(yīng)該挑選超低壓差式的，可讓輸出維持於最小電池電壓。這就能讓電池不再提供足夠電能之前盡行地放電。
3、鎖上和瞬變
對(duì)深度次微米IC從線寬的瞬變惡化了關(guān)於過(guò)電壓狀態(tài)的敏感性，意味著你要聰明一點(diǎn)，對(duì)這些器件進(jìn)行保護(hù)，但同時(shí)又不要影響它們的性能。
在一個(gè)保護(hù)輸入里，任何保護(hù)元件於正常運(yùn)作下都必須呈現(xiàn)為一個(gè)高阻抗電路。它必須加載盡可能小的電容負(fù)荷，例如，假定它是對(duì)正常輸入訊號(hào)加入小小效應(yīng)的話。不過(guò)，在過(guò)電壓的一瞬間，那同一個(gè)器件必須成為該瞬變電能的主要通路，將它從受保護(hù)器件的輸入中引開(kāi)。還有，保護(hù)器件的承受電壓應(yīng)該高於它保護(hù)的引腳上的最大允許電壓。同理，它的箝位電壓要足夠低，以防止受保護(hù)器件的損壞，這是由於在瞬變情況下，輸入上的電壓會(huì)是保護(hù)器件的箝位電壓。
以前，瞬變電壓抑制（TVS）二極管在印刷電路板上有效地將瞬變箝位。傳統(tǒng)的（TVS）二極管是固態(tài)PN結(jié)器件，低至5V的電壓也工作得很好。它們有快速的響應(yīng)時(shí)間，低的箝位電壓，高的電流浪涌能力—全都是所希望的特性。不過(guò)，傳統(tǒng)TVS二極管的問(wèn)題是低於5V以下會(huì)抬起它的頭。在這里，它們所采用的雪崩技術(shù)是個(gè)障礙。要在5V以下達(dá)致Stand-off電壓，要采用高度的摻雜（在1018/cm-3或以上）。這反過(guò)來(lái)，又會(huì)引致更高的電容和漏電電流，兩者都會(huì)損害高性能的。傳統(tǒng)的TVS二極管具有電壓相關(guān)的電容，隨電壓減少而增加。例如，在5V下，典型的ESD保護(hù)二極管會(huì)有400pF的結(jié)電容。我們可以想像一下，這樣的電容性負(fù)載加於100Base－TEthernet發(fā)射器或接收器的輸入節(jié)點(diǎn)，或加於通用串行總線（USB）輸入，會(huì)有甚麼問(wèn)題。而且，這些正正是最需要進(jìn)行瞬變保護(hù)的那些電路類型。
低于5V電壓的情況下，傳統(tǒng)的TVS二極管并非真正的選項(xiàng)。但這也不是說(shuō)你再無(wú)可選擇的了。由加州伯克萊大學(xué)和Semtech公司（加州NewburyPark市）共同開(kāi)發(fā)的一種新技術(shù)，提供了一直低至2.8V工作電壓的瞬變和ESD保護(hù)。你可以在一系列的TVS器件中去選定一種，具有合適的電容，stand-off電壓，和箝位電壓來(lái)符合自己系統(tǒng)的要求。之後，還要考慮應(yīng)把該器件放在板上的甚麼地方，如何給電路板布線等問(wèn)題。
在保護(hù)通路中的寄生電感會(huì)引起高電壓的過(guò)沖及令I(lǐng)C損壞。在快速上升時(shí)間瞬變的情況尤甚，例如ESD。由ESD感應(yīng)起的瞬變，據(jù)IEC1000-4-2的定義，會(huì)在不到1納秒（ns）內(nèi)到達(dá)它的峰值。以走線電感20nH／寸來(lái)計(jì)算，4份1寸走線自10A脈沖會(huì)引起50V的過(guò)沖。
你必須考慮所有可能的感應(yīng)通路，包括地線返回通路，在TVS和保護(hù)線路之間的通路，以及由連接器至TVS器件的通路。而且，TVS器件應(yīng)該盡可能地靠近連接器放置，以便將瞬變耦合到靠近的其他走線。
一塊10／100Ethernet板是需要進(jìn)行瞬變保護(hù)的子系統(tǒng)。在Ethernet交換器和路由器中所用的器件是暴露在高能量，雷電感應(yīng)瞬變之下的。而所用的深度次微米IC在設(shè)計(jì)上對(duì)過(guò)電壓鎖上又是極度敏感的。在典型系統(tǒng)里，每個(gè)端口所用的雙絞線對(duì)介面由兩個(gè)不同的訊號(hào)對(duì)所組成—一對(duì)用於發(fā)射器，另一對(duì)用於接收器。發(fā)射器輸入通常是最容易受到損壞的，在一個(gè)線路對(duì)中會(huì)出現(xiàn)有差異的致命性放電，并且透過(guò)變壓器以電容性地耦合到EthernetIC。
有一種情況是，訊號(hào)頻率很高（100Mbit/s）而供電電壓又低（典型是3.3V），保護(hù)器件必須有很低的容性負(fù)載，而其stand-off電壓遠(yuǎn)低於5V。還有另一種情況，其中在保護(hù)通路中的寄生電感可以導(dǎo)致很大的電壓過(guò)沖。為使效率提到最高，電路板的布線應(yīng)該是，保護(hù)器和受保護(hù)線路之間的通路必須減至最低，而在RJ45連接器和保護(hù)器之間的通路長(zhǎng)度也減至最低。
4、熱交換／即插即用
越來(lái)越多的系統(tǒng)其設(shè)計(jì)是，在系統(tǒng)仍然加電期間，允許插板或插頭隨時(shí)插入和拔除。那些插板或插頭會(huì)插入到或拔除自帶有訊號(hào)，電源線和地線的插座，而且有很高機(jī)會(huì)產(chǎn)生瞬變。此外，該系統(tǒng)還能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整其電源，以適應(yīng)突然增加或減少的電流負(fù)載。
蜂窩電話或其他可攜電子設(shè)備會(huì)無(wú)心地帶電期間插入到或拔除自充電的系統(tǒng)。這同樣也會(huì)產(chǎn)生瞬變。在這里，除了瞬變保護(hù)之外，還需要有能源管理以適應(yīng)突然增加或減少的電流負(fù)載。
USB介面的設(shè)計(jì)，是給桌面系統(tǒng)與周邊設(shè)備之間，提高一種高速的串行介接能力。還有，UB介面有一根電壓供電線，可用來(lái)給連接著的周邊設(shè)備供電。如果沒(méi)有負(fù)載插入到USB插座里，它就是個(gè)開(kāi)路的插座。由人體靜電對(duì)該插座感應(yīng)的ESD脈沖放電，會(huì)導(dǎo)通至電路板上，并會(huì)輕易地?fù)p壞USB控制器。
你必須確保這種高速總線里，無(wú)論數(shù)據(jù)線抑或電源線都采取了保護(hù)。并且，盡管能源管理已被寫(xiě)入到USB的規(guī)格中，但ESD的保護(hù)卻還沒(méi)有。
TVS器件可以用來(lái)提供適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)。元件的放置和通路的長(zhǎng)度仍然是重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題。同樣的排布指南應(yīng)該仔細(xì)參詳。務(wù)令TVS和受保護(hù)線之間的通路變短，并且務(wù)令TVS器件盡可能靠近端口連接器。
按照USB規(guī)格的需要，應(yīng)該采用固體電路能源分發(fā)開(kāi)關(guān)器進(jìn)行能源管理。在PC主機(jī)中，它們提供短路電流保護(hù)和差錯(cuò)報(bào)告給控制器IC。在USB周邊設(shè)備中，它們用來(lái)進(jìn)行端口切換，差錯(cuò)報(bào)告和供電電壓斜降控制。
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5、 能源分配
如果將PC的電流量變化與10年前的相比，增幅之大實(shí)在令人驚詫。再加上時(shí)鐘頻率的大幅增加，使得PC和服務(wù)器處?kù)稑O高的di/dt環(huán)境之下。例如，若L為2.5μH及C等於4×1500μF，在負(fù)載上的瞬變其數(shù)量級(jí)為200mV峰對(duì)峰值，恢復(fù)時(shí)間50微秒。使問(wèn)題更復(fù)雜的還有令CPU進(jìn)入睡眠之類的模式，然後迅速地喚醒起來(lái)，所產(chǎn)生的瞬變是每微秒20至30A的范圍，因而變成為能源管理上的頭痛問(wèn)題。
從轉(zhuǎn)換器觀點(diǎn)來(lái)看，di/dt的值左右了對(duì)輸出電容的選擇，更特定地是電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。低頻運(yùn)作的轉(zhuǎn)換器需要用大的電容量來(lái)存儲(chǔ)兩個(gè)工作周期之間的電荷，這就要采用電解電容。這些電解電容雖然有很大的電容量，但隨之而來(lái)也有大的ESR和ESL，兩者都有違設(shè)計(jì)者心意的。此外，電解電容體積很大，不適合於表面安裝技術(shù)和緊湊的封裝。
有一種代替的辦法可以降低ESR和ESL的值，簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，減少實(shí)際體積。方法是采用稍高頻率的轉(zhuǎn)換器，你就可以選擇陶瓷電容來(lái)代替電解電容，并且得到上述的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，藉著采用多相轉(zhuǎn)換器的方案，你更可將負(fù)載需求分擔(dān)開(kāi)來(lái)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器只需較少的輸入電容，同時(shí)又能提供相同總量的電流能力。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了輸入紋波電流。在單相轉(zhuǎn)換方案中，輸入紋波電流等於輸出的紋波電流之半。由此，對(duì)20A系統(tǒng)而言，其輸入紋波電流是10A。但是，對(duì)於四相轉(zhuǎn)換器方案，例如說(shuō)，就會(huì)在這四個(gè)轉(zhuǎn)換器中平分這種輸出電流?，F(xiàn)在每個(gè)供電為5A，而它們的輸入紋波電流為2A。這就可以采用更小型，更便宜的輸入電容器。
DellComputers公司（德州RoundRock市）替它的高速電腦和服務(wù)器系列開(kāi)發(fā)了一種分立式，多相脈寬調(diào)制（PWM）控制器和反向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器。其設(shè)計(jì)是要符合Intel公司的高級(jí)PentiumCPU之緊迫電能／能源管理的要求。該電路自此已由Semtech公司應(yīng)Dell的要求加以集成起來(lái)。采取了多相控制器和轉(zhuǎn)換器的方案之後，你就要特別注意電路板的布線問(wèn)題。高頻下的大電流開(kāi)關(guān)會(huì)影響地平面有電壓的差異。
電路的大電流部份應(yīng)該先行布線，你應(yīng)該采用地平面（groundplate），或應(yīng)該引入隔離或半隔離地平面區(qū)域，限制地電流進(jìn)入特定區(qū)域。由輸入電容器和高端及低端驅(qū)動(dòng)器輸出FET形成的回路包含了全部大電流，快速瞬變開(kāi)關(guān)。連接上應(yīng)寬即寬及應(yīng)短則短，以減少回路電感。這樣做就會(huì)降低電磁干擾（EMI），降低地注入的電流，并將源振鈴減至最小以得到更可靠的門(mén)電路開(kāi)關(guān)訊號(hào)。
在上述兩個(gè)FET接合點(diǎn)與輸出電感器之間的連接，應(yīng)該是寬的徑跡，同時(shí)盡可能地短。輸出電容器應(yīng)該盡可能靠近負(fù)載放置。快速瞬變負(fù)載電流是由這個(gè)電容器提供的，所以，連接線應(yīng)該既寬且短，以便把電感和電阻減至最小。
控制器最好置於寧?kù)o地平面區(qū)域內(nèi)，避免輸入電容器和FET回路中的脈沖電流流入這個(gè)區(qū)域。高低端地電位參考引腳應(yīng)該返回到極接近控制放大器封裝的地那里。小訊號(hào)模擬地和數(shù)碼地應(yīng)該連接到其中一個(gè)輸出電容器的地端。決不可以返回到在輸入電容／FET回路內(nèi)部的地。電流感測(cè)電阻回路應(yīng)該保持盡可能的短。
6、 聰明地工作
雖然上面的例子說(shuō)明了一些方法，可預(yù)知和避免混合訊號(hào)系統(tǒng)的某些陷阱，但這決不是巨細(xì)無(wú)遺的。每個(gè)系統(tǒng)都有其自己的挑戰(zhàn)事項(xiàng)，而每個(gè)設(shè)計(jì)師都有其獨(dú)特的障礙要跳越。無(wú)論對(duì)付的是更困難的保護(hù)，或更嚴(yán)格的能源管理，選擇恰當(dāng)?shù)脑鞘紫冗M(jìn)行的事情。在挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器控制器和TVS保護(hù)器件方面，有很廣泛的選擇范圍。把它們放置於電路板上的正確地方就會(huì)顯出能源管理和保護(hù)方面有效與否的差別。深思熟慮的布線和地平面的配置則是第叁方面的關(guān)鍵問(wèn)題。 用於低壓電路的TVS電壓低於5V時(shí)，傳統(tǒng)的PN結(jié)型TVS實(shí)際上完全不起作用。不過(guò)，有一種增強(qiáng)式穿通二極管（EPD），由加州柏克萊大學(xué)和Semtech公司研制出來(lái)。
和雪崩式TVS二極管傳統(tǒng)的PN結(jié)構(gòu)不同，這種EPD器件采用了更復(fù)雜的n+p+p-n+四層結(jié)構(gòu)。它在p+和P-層采用輕摻雜，防止反向偏置的n+p+結(jié)會(huì)進(jìn)入雪崩狀態(tài)。
選擇npn結(jié)構(gòu)而不是pnp結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗懈叩碾娮舆w移率和改進(jìn)的箝位特性。藉著小心架構(gòu)制造P-基區(qū)，結(jié)果得到的器件於2.8V至3.3V電壓范圍內(nèi)，取得了出色的漏電，箝位和電容特性。
7、飽胃口極大的Pentium
Intel的PentiumⅡ規(guī)格里，要求在500ns內(nèi)電流由5A增高至20A，轉(zhuǎn)換率為每微秒30A。而SemteckSC1144多相PWM控制器的能力還勝於任務(wù)所要求的。它提供了對(duì)多達(dá)四個(gè)反向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器的控制，得到所需的速度和精度。內(nèi)建的5位元DAC可讓輸出電壓作編程輸出，由1.8至2.05V按50mV增量進(jìn)行，由20至3.5V按100mV增量進(jìn)行。
這種多相技術(shù)產(chǎn)生了由90度相移分開(kāi)的四個(gè)精確輸出電壓。然後，這四個(gè)經(jīng)數(shù)碼式相移的輸出一起求和，以得到所需的輸出電壓和電流容量。
以每個(gè)轉(zhuǎn)換器工作於2MHz來(lái)看，設(shè)計(jì)師可以采用陶瓷電容而非電解電容，并且得到體積小，可表面安裝，以及更低的ESR和ESL的好處。
