設計技術文章

Design technology article

註意PCB布線中設計浪湧電流的大小 在測試的時候,經常會碰到原先設計的 PCB 無法滿足浪湧的需求。一般工程師設計的時候,只考慮到了系統功能性的設計,比如系統實際工作時只需承載1A 的電流,設計時就按這個去設計,但有可能系統需要的浪湧設計,瞬態浪湧電流要達到3KA(1.2/50us&8/20us),那麽現在我按1A的實際工作電流去設計的話,是否可以達到上述瞬態浪湧的能力了?實際有經驗的工程是告訴我們這是不可能的,那麽怎麽辦才好?下面有一個計算的方式可以作為PCB布線承載瞬間電流的一個依據:例如:0.36mm寬度的1oz銅箔,厚度35um的線條中一個40us矩形電流浪湧,最大浪湧電流約為580A。如果要做一個5KA(8/20us) 的防護設計,那麽前端的PCB 布線的合理應該是2 oz銅箔0.9mm寬度.安全器件可以將寬度適當放寬。 註意浪湧端口元器件布局時應有的安全間距 浪湧端口的設計除了我們要按正常的工作電壓設計的安全間距外,我們還要考慮瞬態浪湧的安全間距。關於正常工作電壓設計時的安全間距我們可以參考UL60950的相關規範。另外我們以UL在UL796標準中規定了印製線路板耐壓的測試標準是40V/mil或1.6KV/mm。這一數據指導在PCB導線之間設置能夠承受Hipot的耐壓試驗的安全間距非常有用。 舉例,根據60950-1表5B的規定,500V的工作電壓之間的導體應該要滿足1740Vrms的耐壓試驗,而1740Vrms的峰值應該是1740X1.414=2460V。根據40V/mil的設置標準, 可以計算出PCB兩導體之間的間距應該不小於2460/40=62mil或1.6mm。 而浪湧除了上面正常的註意事外,還要註意施加浪湧的大小,和保護器件的特性來增加安全間距,以1.6mm的間距計算,其最大截止的爬電電壓為2460V,如果我們浪湧的電壓高達6KV,甚至是12KV ,那麽這個安全間距是否增加要取決於浪湧過壓保護器件的特性,這也是我們工程師經常在實驗遇到浪湧爬電時巨大的響聲。 以陶瓷放電管為例,在要求1740V的耐壓時,我們選擇的器件應該是2200V的,而它在上述浪湧的情況下,其放電的尖峰電壓高達4500V,此時按照上面的計算方式,我們的安全間距是:4500/1600*1mm=2.8125mm. 註意PCB中過壓防護器件的位置 防護器件的位置主要設置在被保護端口的前端位置,特別是該端口具有多個分支或者回路的時候,如果設置旁路或者是靠後的位置,其保護的效果性能將大大減小。現實中我們有時候因為位置不夠,或者為了布局的美觀性,這些問題時常被遺忘。 註意大電流回流路徑 大電流回流路徑一定要靠近電源地或者是外殼的大地,路徑越長,回流阻抗越大,瞬態電流引起的地電平升高的幅度就越大,這個電壓對諸多芯片的影響是極大的,同時也是系統復位、鎖死的真兇。
2022-07-15 28
提到低功耗、大電流、超高速半導體器件,很多工程師肯定能首先想到肖特基二極管(SBD)。但是你真的會用肖特基二極管嗎?和其他的二極管比起來,肖特基二極管又有什麽特別之處呢?下面一起來劃重點吧。 ✦ 肖特基二極管的關鍵參數 ✦ 肖特基二極管廣泛應用於開關電源、變頻器、驅動器等電路中。在不同的應用中,需要考慮不同的因素,而且,不同的器件在性能上也有差別,因此,在選用肖特基二極管時,下面這些關鍵參數需要綜合考慮。1、導通壓降VFVF為二極管正向導通時二極管兩端的壓降,當通過二極管的電流越大,VF越大;當二極管溫度越高時,VF越小。 2、反向飽和漏電流IRIR指在二極管兩端加入反向電壓時,流過二極管的電流,肖特基二極管反向漏電流較大,選擇肖特基二極管是盡量選擇IR較小的二極管。 3、額定電流IF指二極管長期運行時,根據允許溫升折算出來的平均電流值。 4. 最大浪湧電流IFSM 允許流過的過量的正向電流。它不是正常電流,而是瞬間電流,這個值相當大。 5.最大反向峰值電壓VRM即使沒有反向電流,只要不斷地提高反向電壓,遲早會使二極管損壞。這種能加上的反向電壓,不是瞬時電壓,而是反復加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓,它的最大值是規定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前肖特基最高的VRM值為150V。 6. 最大直流反向電壓VR上述最大反向峰值電壓是反復加上的峰值電壓,VR是連續加直流電壓時的值。用於直流電路,最大直流反向電壓對於確定允許值和上限值是很重要的.7.最高工作頻率fM由於PN結的結電容存在,當工作頻率超過某一值時,它的單向導電性將變差。肖特基二極管的fM值較高,最大可達100GHz。 8.反向恢復時間Trr當工作電壓從正向電壓變成反向電壓時,二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實際上,一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量,就是反向恢復時間。雖然它直接影響二極管的開關速度,但不一定說這個值小就好。也即當二極管由導通突然反向時,反向電流由很大衰減到接近IR時所需要的時間。大功率開關管工作在高頻開關狀態時,此項指標至為重要。 9. 最大耗散功率P二極管中有電流流過,就會吸熱,而使自身溫度升高。在實際中外部散熱狀況對P也是影響很大。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流加上反向恢復損耗。 肖特基二極管工作參數
2022-06-25 22
LDO基本原理 LDO是Low Dropout Regulator的缩写,意思是低压差线性稳压器。低压差 是指输入电压-输出电压的值比较低。传统的线性稳压器压差高达2V,而LDO的压差只有几百mV。线性 是指PMOS基本处于线性工作状态(传统的线性稳压器是PNP原理,也工作在线性放大状态)。 稳压器 是指在正常的VIN范围内,输出VOUT都稳定在一个固定值,这个固定值就是我们想要的电压值。比如VIN是电池电压3~4.4V,VOUT始终保持2.7V输出。 下图是一个简单的LDO原理框图: LDO是一个负反馈系统,当VOUT增大,R2上电压增大,放大器输出电压增大,PMOS的VGS电压减小,这样PMOS输出电流减小,电压也减小。所有的LDO都是同样的负反馈原理。我们经常拿LDO与DCDC做对比,两者的原理差别很大,特性也不一样:LDO简单,功率小,效率低,噪声非常低。DCDC复杂,功率大,效率高,噪声也很高。重点说明一下,LDO有非常好的噪声隔离作用,具体指标是PSRR,它表示输出噪声对输入噪声的比值。在一些对噪声敏感的电路中,如ADC,DAC,Camera sensor模拟电压等,必须选择LDO,而且是高PSRR的LDO,而不是DCDC。下文解释一些LDO的关键技术指标。 LDO关键参数的理解 以TOSHIBA的TCR3DG系列LDO为例,解释一下LOD的各项参数指标。这个系列的LDO在手机行业应用非常多。2.1压差(Drop-out Voltage)压差是指保证VOUT输出电压、电流情况下,VIN与VOUT的最小电压差。这个压差可以理解为LDO输出电流在PMOS上的压降。PMOS有导通电阻,假设VIN=3.4V,VOUT=3.2V,输出电流300mA,则可以推算出PMOS的内阻是 LDO工作必须满足压差要求,但压差不是一个固定值,它与IOUT大小有关。下图是一个VOUT=1V的LDO的输出电流与压差要求的关系曲线,可见输出电流越小,对压差要求也越小。压差越小,LDO的效率越高。所以尽量不要让LDO工作在接近极限的大电流状态,否则效率很低,LDO发热严重,容易烧毁。 2.2效率LDO效率定义如下: 其实IOUT和IIN基本是相等的,因为IIN就比IOUT多了个IGND,这个电流非常小,几乎可以忽略。所以效率公式简化如下。 可以简单把LDO看做是一个稳压管,压差越小,LDO的效率越高。2.3静态电流(IQ)静态电流Quiescent Current是外部负载电流为0时,LDO内部电路供电所需的电流。内部电路包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流和过温检测电路。这个电流经过从LDO的GND流出。   静态电流受温度和输入电压影响较大,高性能的ADI品牌LDO可能做到静态电流对温度电压不敏感。下面两幅图是一个普通的LDO静态电流随VIN和温度变化的曲线。常温下静态电流一般在uA和nA级别。 当输出电流增大时,这个时候的静态电流IQ,我们称期为IGND,某些大功率的LDO,IGND也到了mA的级别: 大部分LDO的IQ很小,它是衡量LDO在低负载情况下的自身消耗的一个重要指标,IQ越小越好。在消费类电子领域,低IQ有利于更长的续航时间,低IQ值显得尤为重要。2.4关断电流LDO的输出使能管脚ENn拉低后,VOUT=0V,此时VIN上消耗的电流就是关断电流IQ(OFF)。关断电流最高不会超过几个uA。 2.5负载瞬态响应 负载电流IOUT阶跃变化时,输出电压VOUT的变化率。它与输出端的电容值,电容的ESR,LDO控制环路的增益带宽以及负载电流变化的大小和速率有关。文章开头已经讲了,LDO是一个负反馈回路,其相位裕量越大,负载的瞬态响应越好。 原文链接:https://blog.csdn.net/AirCity123/article/details/104213243 文章整理自网络,如有侵权,请联系删除!
2022-06-18 37
在改進型差動放大器中,用恒流源取代射極電阻RE,既為差動放大電路設置了合適的靜態工作電流,又大大增強了共模負反饋作用,使電路具有了更強的抑製共模信號的能力,且不需要很高的電源電壓,所以,恒流源和差動放大電路簡直是一對絕配!恒流源既可以為放大電路提供合適的靜態電流,也可以作為有源負載取代高阻值的電阻,從而增大放大電路的電壓放大倍數。這種用法在集成運放電路中有非常廣泛的應用。本節將介紹常見的恒流源電路以及作為有源負載的應用,為後續內容的學習進行知識儲備。 一、鏡像恒流源電路 如圖1所示為鏡像恒流源電路,它由兩只特性完全相同的管子VT0和VT1構成,由於VT0管的c、b極連接,因此UCE0=UBE0,即VT0處於放大狀態,集電極電流IC0=β0*IB0。另外,管子VT0和VT1的b-e分別連接,所以它們的基極電流IB0=IB1=IB。設電流放大系數β0=β1=β,則兩管集電極電流IC0=IC1=IC=β*IB。可見,由於電路的這種特殊接法,使兩管集電極IC1和IC0呈鏡像關系,故稱此電路為鏡像恒流源(IR為基準電流,IC1為輸出電流)。 圖1  鏡像恒流源電路 鏡像恒流源電路簡單,應用廣泛。但是在電源電壓一定時,若要求IC1較大,則IR勢必增大,電阻R的功耗就增大,這是集成電路中應當避免的;若要求IC1較小,則IR勢必也小,電阻R的數值就很大,這在集成電路中很難做到,為此,人們就想到用其他方法解決,這樣就衍生出其他電流源電路。 二、比例恒流源電路 如圖2所示為比例恒流源電路,它由兩只特性完全相同的管子VT0和VT1構成,兩管的發射極分別串入電阻Re0和Re1。比例恒流電路源改變了IC1≈IR的關系,使IC1與IR呈比例關系,從而克服了鏡像恒流源電路的缺點。與典型的靜態工作點穩定電路一樣,Re0和Re1是電流負反饋電阻,因此與鏡像恒流源電路相比,比例恒流源的輸出電流IC1具有更高的穩定性。 當Re0=Re1時,IC1仍然等於IR,但此電路的IR由式(2-4)約定,比式(2-2)的IR小,一般用於前置放大器的輸入級。 圖2  比例恒流源電路 三、微變恒流源電路 由式(2-3)可知,若Re0很小甚至於為零,則Re1只采用較小的電阻就能獲得較小的輸出電流,這種電路稱為微變恒流源,如圖3所示。集成運放輸入級靜態電流很小,往往只有幾十微安,甚至更小,因此微變電流源主要應用於集成運放輸入級的有源負載。 圖3  微變恒流源電路 四、多路恒流源電路 集成運放是一個多級放大電路,因而需要多路恒流源電路分別給各級提供合適的靜態電流。可以利用一個基準電流去獲得多個不同的輸出電流,以適應各級的需要。圖4所示電路是在比例恒流源基礎上得到的多路恒流源電路,IR為基準電流,IC1、IC2和IC3為三路輸出電流。由於各管的b-e間電壓UBE數值大致相等,因此可得近似關系 IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re3(2-6) 當IE0確定後,各級只要選擇合適的電阻,就可以得到所需的電流。 圖4  多路恒流源電路
2022-06-10 27
放大電路的核心元件是三極管,所以要對三極管要有一定的瞭解。用三極管構成的放大電路的種類較多,我們用常用的幾種來解說一下(如圖1)。圖1是一共射的基本放大電路,一般我們對放大路要掌握些什麼內容?(1)分析電路中各元件的作用;(2)解放大電路的放大原理; (3)能分析計算電路的靜態工作點; (4)理解靜態工作點的設置目的和方法; 以上四項中,最後一項較為重要。 圖1中,C1,C2為耦合電容,耦合就是起信號的傳遞作用,電容器能將信號信號從前級耦合到後級,是因為電容兩端的電壓不能突變,在輸入端輸入交流信號後,因兩端的電壓不能突變因,輸出端的電壓會跟隨輸入端輸入的交流信號一起變化,從而將信號從輸入端耦合到輸出端。但有一點要說明的是,電容兩端的電壓不能突變,但不是不能變。R1、R2為三極管V1的直流偏置電阻,什麼叫直流偏置?簡單來說,做工要吃飯。要求三極管工作,必先要提供一定的工作條件,電子元件一定是要求有電能供應的了,否則就不叫電路了。 在電路的工作要求中,第一條件是要求要穩定,所以,電源一定要是直流電源,所以叫直流偏置。為什麼是通過電阻來供電?電阻就像是供水系統中的水龍頭,用調節電流大小的。所以,三極管的三種工作 狀態“:載止、飽和、放大”就由直流偏置決定,在圖1中,也就是由R1、R2來決定了。 首先,我們要知道如何判別三極管的三種工作狀態,簡單來說,判別工作於何種工作狀態可以根據Uce的大小來判別,Uce接近於電源電壓VCC,則三極管就工作於載止狀態,載止狀態就是說三極管基本上不工作,Ic電流較小(大約為零),所以R2由於沒有電流流過,電壓接近0V,所以Uce就接近於電源電壓VCC。 若Uce接近於0V,則三極管工作於飽和狀態,何謂飽和狀態?就是說,Ic電流達到了最大值,就算Ib增大,它也不能再增大了。 以上兩種狀態我們一般稱為開關狀態,除這兩種外,第三種狀態就是放大狀態,一般測Uce接近於電源電壓的一半。若測Uce偏向VCC,則三極管趨向於載止狀態,若測Uce偏向0V,則三極管趨向於飽和狀態。 ►►►理解靜態工作點的設置目的和方法放大電路,就是將輸入信號放大後輸出,(一般有電壓放大,電流放大和功率放大幾種,這個不在這討論內)。先說我們要放大的信號,以正弦交流信號為例說。在分析過程中,可以只考慮到信號大小變化是有正有負,其他不說。上面提到在圖1放大電路電路中,靜態工作點的設置為Uce接近於電源電壓的一半,為什麼?這是為了使信號正負能有對稱的變化空間,在沒有信號輸入的時候,即信號輸入為0,假設Uce為電源電壓的一半,我們當它為一水平線,作為一個參考點。當輸入信號增大時,則Ib增大,Ic電流增大,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之增大,Uce=VCC-U2,會變小。U2最大理論上能達到等於VCC,則Uce最小會達到0V,這是說,在輸入信增加時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到0V。 同理,當輸入信號減小時,則Ib減小,Ic電流減小,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之減小,Uce=VCC-U2,會變大。在輸入信減小時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到VCC。這樣,在輸入信號一定範圍內發生正負變化時,Uce以1/2VCC為准的話就有一個對稱的正負變化範圍,所以一般圖1靜態工作點的設置為Uce接近於電源電壓的一半。 要把Uce設計成接近於電源電壓的一半,這是我們的目的,但如何才能把Uce設計成接近於電源電壓的一半?這就是手段了。 這裏要先知道幾個東西,第一個是我們常說的Ic、Ib,它們是三極管的集電極電流和基極電流,它們有一個關係是Ic=β×Ib,但我們初學的時候,老師很明顯的沒有告訴我們,Ic、Ib是多大才合適?這個問題比較難答,因為牽涉的東西比較的多,但一般來說,對於小功率管,一般設Ic在零點幾毫安培到幾毫安培,中功率管則在幾毫安培到幾十毫安培,大功率管則在幾十毫安培到幾安。 在圖 1 中,設 Ic 為 2mA,則電阻 R2 的阻值就可以由 R=U/I 來計算,VCC 為 12V,則 1/2VCC為 6V,R2 的阻值為 6V/2mA,為 3KΩ。Ic 設定為 2 毫安培,則 Ib 可由 Ib=Ic/β推出,關健是β的取值了,β一般理論取值 100 ,則 Ib=2mA/100=20#A ,則 R1= ( VCC-0.7V )/Ib=11.3V/20#A=56.5KΩ, 但實際上,小功率管的β值遠不止 100,在 150 到 400 之間,或者更高,所以若按上面計算來做,電路是有可能處於飽和狀態的,所以有時我們不明白,計算沒錯,但實際不能用,這是因為還少了一點實際的指導,指出理論與實際的差別。這種電路受β值的影響大,每個人計算一樣時,但做出來的結果不一定相同。也就是說,這種電路的穩定性差,實際應用較少。但如果改為圖 2 的分壓式偏置電路,電路的分析計算和實際電路測量較為接近。 在圖 2 […]
2022-05-27 24
01 电源电路 直流稳压电源是电子设备的能源电路,关系到整个电路设计的稳定性和可靠性,是电路设计中非常关键的一个环节。本节重点介绍三端固定式(正、负压)集成稳压器、三端可调式(正、负压)集成稳压器以及 DC-DC 电路等组成的典型电路设计。 电源处理框图 整流电路的作用是将交流电压 U1变换成脉动的直流 U2,它主要有半波整流、全波整流方式,可以由整流二极管构成整流桥堆来执行,常见的整流二极管有 IN4007、 IN5148 等,桥堆有 RS210 等。滤波电路作用是将脉动直流 U2滤除纹波,变成纹波小的 U3,常见的电路2有 RC 滤波、 KL 滤波、∏型滤波等,常用的选 RC 滤波电路。 集中整流形式 实际应用电路中,芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外,通常还需在芯片引出脚根部接小容量( 0.1µF~10µF)电容 Ci、 Co 到地。Ci 用于抑制芯片自激振荡, Co 用于压窄芯片的高频带宽,减小高频噪声。Ci 和 Co 的具体取值应随芯片输出电压高低及应用电路的方式不同而异。 78 系列三端稳压器基本应用电路 02 运算放大器电路 运算放大器一般可分为通用型、精密型、低噪声型、高速型、低电压低功率型、单电源型等几种。表示运算放大器性能的参数有:单/双电源工作电压、电源电流、输入失调电压、输入失调电流、输入电阻、转换速率、差模输入电阻、失调电流温漂、输入偏置电流、偏置电流温漂、差模电压增益、共模电压增益、单位增益带宽、电源电压抑制、差模输入电压范围、共模输入电压范围、输入噪声电压、输入噪声电流、失调电压温漂、建立时间、长时间漂移等。 同相输入比例运算电路 反相输入比例求和电路 差动放大电路 03 信号产生电路 在各种电子设计制作过程中,需要产生各种波形,如矩形波,正弦波,三角波,单脉冲波等。产生的方法主要利用运算放大器或专用模拟集成电路,配以少量的外接元件可以构成各种类型的信号发生器。 分立模拟电路构成矩形波产生电路 自激式的等效电感振荡器 04 信号处理电路 信号处理电路主要利用集成运算放大器或专用模拟集成电路, 配以少量的外接元件可以构成各种功能的处理电路。主要功能有信号放大、信号滤波、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压转换、电压/频率转换等。 运放组成的有源低通滤波器 声音报警电路 05 传感器及其应用电路 […]
2022-03-25 130