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复杂电路接地和供电的实用方法

上网日期: 2015年05月28日 ?? 作者: Nicholaus W Smith ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:音频驱动器? LDO? 接地? 电源?

作为最后一个案例,这里介绍一个假设的具有机械约束的最终系统。在这样的系统中,用户界面和整体尺寸会给设计带来一些限制。图3示出了每一个模块的实际位置:

复杂电路接地和供电的实用方法(电子工程专辑)
图3:典型的移动平板电脑应用模块和布局。

图3中的每个电源都被颜色编码以便区分,图中最重要的部分是彩色标识的GND返回电流。因为多个电源是串联的,导致每个最终负载和GND电流被迫以它们被加电时相同的顺序去完成返回路径。例如,电池为BUCK1.2V调节器加电,该调节器为微处理器供电。因此,流经微处理器的电流在返回到电池之前,将直接返回到BUCK1.2V调节器器GND端。如果未能预见到全部的电流回路和电流路径完成的次序,就可能导致电路运行不稳定,或者没有足够的GND电流返回,原因是这些问题没有在电路布局中适当地考虑到并加以控制。

例如,可以很容易地想到系统工程师会把蓝牙和WiFi天线放置在相机和闪光灯的位置。由照相机与无线/蓝牙模块的位置颠倒产生的问题是,即使+ 1.2V电源仍然可正常地把电力分开来提供给那些需要的模块,高频蓝牙和WiFi的GND返回电流会直接流过微处理器/存储器模块的下方,由此可把与天线相关的纹波电流和电压反弹直接引入到高频微处理器GND和存储器存取。这将导致电池温度的模-数转换错误,可能会破坏扬声器的立体声音质,影响相机的分辨率,并导致存储器错误,以至于数据丢失。通过比较,如图中所画部分所示,从BUCK1.2V调节器到每个独立的负载和返回电源路径(在这种情况下为BUCK1.2V),WiFi /蓝牙电源和GND电流将保持独立并且采取并联方式,避免了所有上述问题。

值得注意的是,上述所列出的各例中都假设采用一个单一的GND,并且被画在一个铜平面上,该平面在一个PCB层中为连续和不间断的。此接地平面由电路中所有的模块共享,而不是隔分GND平面,或把它分离为多个子部分,之后使用组件来连接GND平面及控制电流路径。特意的模块布局已经开始得到实施,因为这种方法使用自然的电流流动可以使电路屏蔽免受不需要的GND反弹影响。任何承载电流或电压(正电位)的线路必须要有一个返回路径,而返回路径应尽可能地接近正电位形式的信号,并且会被分配到源信号/电源轨下方的GND平面上。

在理解了电流的流动和最小化电流环路的概念后可以得到一个明显的结论,单点接地方法是PCB设计的理想和首选方法,因为它显著减少了元件数量,电路板层数和潜在的辐射:每段线路和模块应该在PCB板上具有尽可能短的返回路径。按照此指导原则,系统设计人员只需要从正确的走线宽度、组件和模块的智能布局等角度来控制PCB设计。他没有必要去检查每一段线路,或搭建多个实验板以获得正确的电源、信号和GND方案。单一、不间断的GND平面层带来的另外一个优点是该平面的连续性允许产生的热量均匀地散布在整个PCB表面,从而实现较低的工作温度。

结论

用于驱动任何电路的任何信号(或电源),必须有适当的路径返回到源头。电路设计人员必须考虑源和接地方案以正确地实现最终的系统方案。在实施阶段考虑负载和负载类型是至关重要的,这样可以使那些引起电压反弹的电流路径得到控制。在GND噪声不影响PCB性能的区域,布局和定位那些电流通路是实现有效和高效电路设计的关键。

第一页:简单电路的电源和接地分析

第二页:复杂电路的电源和接地优化策略

第三页:案例分析:一个假设的具有机械约束的最终系统


参考文献

1.一个混合信号PCB板的分隔和布局,Ott, Henry,《印刷电路板设计杂志》(Printed Circuit Design Magazine),2001年6月。网络版:2014年8月13日。

2.计算正方形数量:一种快速估算PWB线路阻抗的方法,Spataro, Vincent,EDN网络(EDN Network),2013年4月12日。网络版:2014年9月3日。

本文来自《电子工程专辑》2015年6月刊,版权所有,谢绝转载。


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