常用電子電路設(shè)計綜述

1、馬 駿 2014.7一常用電源設(shè)計二振蕩電路設(shè)計三通用運(yùn)放設(shè)計四常用開關(guān)驅(qū)動常用單片機(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4/23/2022線性穩(wěn)壓器基本工作原理 原理框圖4/23/2022調(diào)整管Q：- 傳統(tǒng)三端：PNP- LDO：PMOS線性電源應(yīng)用單一電壓輸出固定輸出模式固定輸出模式可調(diào)整輸出模式可調(diào)整輸

2、出模式4/23/2022線性電源應(yīng)用雙電源輸出單一穩(wěn)壓源模式單一穩(wěn)壓源模式雙穩(wěn)壓源模式雙穩(wěn)壓源模式4/23/2022 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傳統(tǒng)三端穩(wěn)壓器LM7805LDO CE6201輸入電壓范圍最高35V12V抗噪能力73dB(Fairchild LM7805)63dB(LP2981),45dB(LP2985)輸入/輸出壓差高(Typ. 2V)低(最低150mV)功耗大 (2W)小(250500mW)輸出精度2% 4% 1% 2% 靜態(tài)耗電5毫安5微安適用場合使用市電為供電電源的產(chǎn)品，在變壓器經(jīng)整流電路后第一級電壓調(diào)整大功率電壓調(diào)整對調(diào)整效率要求不高使用電池為供

3、電電源的產(chǎn)品小功率電壓調(diào)整多路電源分離調(diào)整效率有一定要求4/23/2022線性穩(wěn)壓源器件選擇 器件選擇的注意點 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 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 Iq4/23/2022PCB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 CinICCoutVout4/23/2022 Good ,不足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

4、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4/23/2022直流開關(guān)電源 升壓型(Boost)DC-DC基本原理4/23/2022K1K2ABK1K2ABDC-DC Boost實例4/23/2022TI LMR62014Boost DC-DC典型應(yīng)用電路4/23/2022 開關(guān)MOS管：IC內(nèi)置 L1：儲能電感(Power choke) D1：(即K2)防止反向 C2：儲能電容降壓型(Step down/Bu

5、ck)DC-DC4/23/2022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Buck典型應(yīng)用電路及效率圖4/23/2022DC-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，實測效率80% 外圍電路簡單：MOS，Diode內(nèi)置 Soft Start功能：減小啟動時Inrush Current 串聯(lián)二極管 正向壓降?。盒ぬ鼗O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4/23/2022DC-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

6、工作頻率 封裝：Shielded方式EMC兼容性佳 儲能電容： Low ESR：提升效率4/23/2022PCB設(shè)計4/23/2022 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實例4/23/2022PCB設(shè)計4/23/2022電荷泵(Charge Pump)4/23/2022Cycle1: Cx充電，V(Cx) = VinCycle2: 輸出，Vout=Vin+V(Cx)=2Vin電荷泵基本工作原理電荷泵典型應(yīng)用電路 特點： Vout通常在Vin 23倍 Iout供電能力不高(80dB (10000倍) 輸

7、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+ = 04/23/2022反相/同相放大電路4/23/2022VinRRVout12VinRRRVout221反相比例放大電路加法器加法器減法器減法器(R1=R4,R2=R3)4/23/2022113223VRRVRRVout)12(12VVRRVou

8、t差分放大電路混音電路同相比例放大電路4/23/2022)21(443VVRRRVout差分放大電路4/23/2022) 12(232112)321(2)321(1221VVRRRRVoVoVoutRRRRVxVyRRRIVoVoVVyVVx傳遞函數(shù)推算過程低通濾波器4/23/2022VinRinRVoutCRFfff210VinRRRVoutCRF23211210反相同相高通濾波器4/23/2022VinRRRVoutRinCinF121210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-Rail4/23/2022運(yùn)放的選擇 頻率特性 (Onsemi

9、 LM324)4/23/2022運(yùn)放的選擇 其他指標(biāo)4/23/2022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 PCB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4/23/2022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4/23/2022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)

10、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4/23/2022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4/23/2022舉例 充氣泵： 三極管：4/23/2022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：

11、 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)2/390=0.0156W 390 ,5%/0603/0.1W4/23/2022附 錄4/23/2022電阻4/23/2022常用電阻類型比較厚膜電阻薄膜電阻碳膜電阻金屬氧化膜阻值范圍SMD: 122MDIP: 110G101M122M窄，最大幾百K溫度特性 100350ppm5200ppm-1300350ppm200300ppm精度一般5%,最好0.5% 一般1%，最好0.05%5%20%

12、一般1%可靠性良好的耐沖擊能力耐濕性不好，易氧化，抗沖擊力差耐濕性不好易氧化耐濕性好，不易氧化，高溫下穩(wěn)定，耐熱沖擊價格十分便宜昂貴便宜昂貴功率一般小于1W一般小于1W一般小于2W功率高，可達(dá)數(shù)百W4/23/2022電阻特性比較 貼片式4/23/2022電阻特性比較 引線式4/23/2022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%4/23/2022無極性電容：MLCC 貼片MLCC類型：4/23/202

13、2C0G(NPO)C0G(NPO)X7RX7RY5VY5V介質(zhì)特性稀有金屬(銣，釤等)氧化物電氣性能穩(wěn)定的二類陶瓷介電常數(shù)高的二類陶瓷溫度特性-55125: 30ppm/-55125： 15%-3085：22% -82%容量變化可忽略不計10年變化約5%隨溫度變化明顯特點電容量和介質(zhì)損耗最穩(wěn)定；相同尺寸下容量小溫度穩(wěn)定型，相同體積下容量較大在較小物理尺寸上得到最大容量使用場合高頻電路耦合，振蕩器等要求不高的工業(yè)場合對容量，損耗要求不高的場合有極性電容：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

14、化膜做介質(zhì)。它的特點是容量大，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，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，因為溫度越高電解液的揮發(fā)損耗越快。4/23/2022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

15、絕氧化膜中的疵點所在的性能，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4/23/2022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4/23/2022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