产品电源设计全过程剖析

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产品电源设计过程

1 系统级电源框图设计

        系统级的电源设计，主要从整个系统的功能、产品的应用场合、开发周期、性价比等整体出发，综合评估系统前级、板内功能模块、对外供电接口、通讯接口、数据采集接口等对电源的需求及相应需达到的防护等级。在实际的工程应用中，市场机会稍纵即逝，往往留给产品的开发周期都很短，从产品的可靠性出发，系统级的电源设计，通常都尽量采用成熟的模块化电源来设计，降低风险，使产品尽早面世，占领市场。

图3.4 工控系统应用框图

        以如图3.4所示的工控系统应用为例进行说明，系统较为复杂，包括了多种信号的数据采集、CAN、RS-485等现场总线、板内要求双电源供电的运放、电机驱动等多种功能。每个功能模块，对电源的要求都有所不同，且整个系统对EMS的要求达到工业四级。

2 产品功能框图设计

        以一个工业现场使用的数据集中器为例，该系统使用M283邮票孔核心板，系统采用12V~24V供电，需要隔离的RS485，隔离CAN总线通信，画出系统框图，如图3.5所示。

图3.5 数据集中器系统框图

3 各电源电压的功耗估算

        客户需求和功能框图确定以后。按照图6.2将对各器件的供电分类，计算出各电压的电流。

表3.1 电源电流计算表模板

        以表3.1为模板，列出系统中用到几种电压，作为列标题。将耗电模块作为行标题，将系统中不耗电的部分去除，例如DB9插座，RJ45插座，JTAG接口等连接器。使用Excel表格建立如表6.2所示的表格，以方便电流的计算和排序。

        以集中器的设计为例，各模块的电流消耗主要以查询数据手册为准，同时加以估算的手段进行填表。在绘制PCB时，PCB设计人员就可以根据模块消耗的电流，对大功率的模块进行特别关注。

表3.2 电源电流计算表

4 电源框图设计

        集中器主板电源框图设计是将图3.1和表3.2整合在一起，这样能够清晰表达整板电源分布的图。是PCB电源布线的抽象设计。

图3.6 电源框图设计

5 处理器电源上电时序设计

        由于处理器速度越来越快、功耗要求越来越低，不同的外设需要不同的电源域进行管理，因此常见的电源域有3.3V，1.8V，1.5V，1.2V，1.1V，0.9V。由于i.MX28x系列处理器内部集成了上电时序控制，因此不需要用户再设计电源时序。为了方便介绍，引用某半导体的一个Cortex-A8处理器的上电时序作为介绍上电时序的对象，如图3.7所示。

图3.7 一个处理器的上电时序

        多电源处理器域出现的时候，由于缺乏设计经验，不少工程师设计出的产品要么不工作、要么工作不稳定。IC厂家看到了这种现象，推出了相应的电源时序管理IC，典型的就有ADI公司，但是这些时序控制IC提供的功能有限，与此同时还诞生了一些IC公司专门设计了电源管理芯片PMU。后来处理器厂商在推广处理器时，配套提供相对应的PMU， 推广CPU+PMU方案了。CPU+PMU的方案不仅解决了硬件工程师头痛的问题，而且有效地降低了系统的体积和功耗。

        原厂配套的PMU一般价格比较贵，而且PMU的主要作用是动态功耗调整，上电时序只是一个小的功能。在一些并不需要动态功耗控制的应用，可以采用低成本分立元件搭建的RC延时电路 + DC-DC转换器的方法亦可以实现电源时序的控制。

        根据图3.8将不同电压的电源、使能信号转换为如图6.6所示的上电时序，可以更加直观地从电压等级以及时间上看出时序的要求。

图3.8 转换后的上电时序

        典型的RC延时电路，如图3.9所示。

图3.9 随供电电源延时

图3.10 随使能信号和电源信号信号延时

        RC延时电路采用了电容充放电的原理,电容端电压Vc初始时刻为0V，DC-DC使能端电压要大于0.7V。根据电容充电公式 ，图6.7中的上电延时时间为0.7ms。假定延时时间t，电容C，使能电压 ，计算R的值为：
。若延时要求为10us，使能电压为0.7V，电容选用0.01uF，计算出R值为6.6KΩ，选择6.8KΩ即可。

        注意：一些厂商的ARM核心板要求底板的电源延迟上电，具体参照厂商数据手册。

AC-DC开关电源

        AC-DC电源输入直接接电网，电网存在多种多样的干扰，某些干扰可以导致系统异常甚至损坏。广州致远电子股份有限公司在大部分AC-DC产品内部集成了高可靠防护电路，对于普通应用场合，仅需极少的外围电路即可满足要求，简化了系统设计、提高了系统可靠性。

        AC-DC产品从输入类型区分，有85~265VAC通用输入型和特殊超宽范围输入型等，前者适用于大部分普通交流市电输入的场合，后者适用于电力集中抄表终端、路灯控制系统、UPS高压母线等场合。AC-DC产品从输出类型区分，有单路、双路、正负、多路等多种输出，主要输出电压有3.3V、5V、12V、24V、5V/12V、5V/24V、±12V、±15V、5V/±12V、5V/±15V等，对于需要同时给MCU和正负电源运放供电的系统，选择正负双路或三路带正负输出的电源产品，可以最大限度的降低电源系统复杂程度。

        性能满足要求的情况下，推荐灌封模块式标准产品，产品体积小、便于嵌入PCB板安装，技术成熟、性能稳定、成本低廉，可降低开发成本、缩短开发周期。

DC-DC开关电源

        DC-DC电源模块有隔离和非隔离两种。隔离DC-DC电源模块纹波噪声低、线性/负载调整率高、体积小、效率高、耐冲击、隔离特性好，集成欠压、过压、过流、短路保护等。非隔离DC-DC具有可持续短路保护、自恢复和过热保护等优点，引脚与LM78xx或LM79xx系列兼容，外壳材料阻燃耐热。

系统级电源的热设计

        随着电子科技和电源行业的发展，从产品的开发周期和可靠性出发，实际的工程应用中系统级电源多为采用成熟的电源模块来设计，在社会的各个领域得到了广泛的应用。小型化，集成化将是未来电源的发展方向。由于功率密度越来越高，电源模块在使用过程中的将不可避免的遇到有关热设计方面的问题。尤其是AC/DC电源模块，因为有电解电容的存在，如果长期工作在温度较高的环境，不仅会使电解电容的使用寿命大大减少，甚至会烤干电解电容内的电解液，造成模块工作异常或引发安全事故。因此好的热设计不仅可延长电源模块和其周围元器件的使用寿命，还可使整个产品发热均匀，减少事故的发生。这里就将电源模块应用方面热设计的几种常用方法做以下简单的描述。

1．采用自然风冷

        对于一些小型化，高功率密度的电源模块（主要是板载式电源模块）来说，由于体积、成本等因素的影响，其电源模块大部分采用自然风冷作为主要的散热方式。通常的板载式的电源模块的散热途径主要有以下几种，如图 6.11所示。

        a. 通过自然对流的方式将热量从电源模块外壳和暴露表面传至空气中，如果电源模块与PCB之间有间隙，也会通过其中的沟道传到周围环境中；

        b. 通过辐射由模块的暴露外壳表面辐射到周围物体表面或从模块的底部辐射到PCB板；

        c. 通过传导方式经模块管脚传到PCB板上。

图3.11 安装在PCB板上的模块电源

        这类电源模块在应用的过程中主要注意以下几个方面：

        ①、注意电源模块的通风

        由于这类电源主要依靠自然对流和热辐射来散热，所以电源模块周围的环境一定要通风良好，便于热量的快速散发。有必要时可在使用电源模块的产品周围增加散热孔，且散热孔要对通，周围无大型元器件遮挡，便于空气流通。

        ②、注意相关发热器件的摆放

        对于使用电源模块的产品中，可能电源模块不是唯一的发热源。对于这样拥有多个发热源的产品来说，各个发热源应尽量远离，避免相互之间的热辐射，加剧电源模块的热环境。

        ③、承载电源模块的PCB 板设计

        对于板载式电源模块来说，PCB 板不仅起到支撑的作用，还是电源模块的一种散热途径。所以我们在PCB板方面设计时就要考虑到。如加大主回路的铜皮面积，降低PCB板上元器件的密度等，都可以在一定程度上改善电源模块的散热环境。

2．加散热片

        对于一些无法靠自然风冷来进行散热的电源模块我们可以通过添加散热片的方式进一步降低电源模块的温度。

        电源模块内部一般都填充有导热硅胶和树脂等，在自然散热情况下，外壳与周围环境之间的热阻远大于模块内部元器件与外壳之间的热阻，结果在电源体内，热分布是充分的，壳体差不多成为等热体。而模块的大多数热量是通过电源的暴露壁向外发出的。因此，此时电源模块的外壳面积直接影响到其散热效果。增加散热片其实就是增加对流和辐射的表面积从而大大地改善了电子器件的散热效果。

        散热片的种类有很多种，我们选用散热片时主要参照以下几个方面：

        ①、采用导热性能好的材料（如铝，铜等）组成的散热片；

        ②、发热体表面积越大，与环境温差越大，其热辐射能力也愈强，所以一般选有有翅片或表面涂黑色（或有色）粗糙漆的散热片；

        ③、散热片应长而厚，便于散热。

        在自然对流和辐射情况下，散热片安装的原则是尽量安放至电源模块外壳与外界温差最大的地方，且在散热片与模块之间涂一层导热脂或其他导热填充材料，使散热片与模块之间结合紧密，便于散热。

3．加强制性散热器风扇

        许多应用系统中，即使加装了散热片，电源的工作条件也得不到很好的改善。在这种散热系统很困难的应用系统中，只有通过加装强制性散热器风扇作为主要的散热方式。用风扇来进行散热，能极大的降低电源模块的表面温度。但较大的风扇会使整个系统的体积变大，所以在风扇的体积和尺寸选择上，我们要选择适当。在一些风扇的体积和尺寸被限定的系统中，风扇的风速直接影响到散热的效果。风速越大的风扇所能提供的气流速度也越大，但噪声也会越大，反之会越小。使用时视具体的情况来选择合适的风扇，使其在散热效果和噪声之间得到比较好的平衡。

        风扇安装的一般指导原则是，形状较长的电源模块，风扇吹风方向应该是水平的，沟道内的风扇吹风方向应该是垂直的以便于形成“烟囱效应”而有利于散热。另外还可在风扇与模块之间涂一层导热脂或其他导热填充材料，使风扇与模块电源外壳（或电源金属基板）之间的结合紧密以减少热阻，但不要因过紧而造成模块电源外壳（或电源金属基板）变形。

        以上的几种电源模块应用热设计的常用方法，所针对的情况和使用环境各不相同，在具体应用中请根据实际情况选用适合的解决方案。

系统级电源的EMC设计

1、AC-DC电源的EMC设计

开关电源因高效、小型等特性而被越来越得到广泛的应用，是桥接用电设备和电网的电能转换器。在电子技术高速发展的现在，电磁环境也日益复杂，开关电源能否把来自输入端的干扰隔挡住，给用电设备提供干净的电能，是用电设备稳定可靠工作的基础。与此同时由于开关电源工作在开关模式，形成一个宽带的电磁发射源，反过来会干扰电网，连在电网上的其他用电设备就会受到干扰，功率越大干扰越严重，这种趋势导致了开关电源电磁兼容问题更加严重。

来自电网的干扰有浪涌、EFT，开关电源对电网的干扰只有通过传导方式干扰，按干扰信号的类型可以分为共模干扰和差模干扰。如图6.12所示电路是一个典型的AC-DC开关电源输入端EMC滤波电路的设计，在电源的输入端设计EMC滤波器是解决上面问题的重要手段。

图3‑12 AC-DC电源模块的典型EMC电路

一般AC-DC电源内部设计有EMC滤波电路，在一些情况下需要外加EMC电路，如虚线框中的电路。

MOV1：压敏电阻，用来钳位吸收来自L/N线的浪涌电压。

Cx：X电容，是安规电容，实际耐压远高于标称电压，用来吸收L/N线上的高频分量，滤除瞬态的高压尖峰。

LCM，CY1，CY2：共模电感LCM，Y电容CY1，CY2共同构成共模滤波器，从左向右吸收来自L/N线上的共模干扰。

从右往左，CY1，CY2给电源产生的的共模噪声提供回路，让共模噪声在电源的内部形成回路，不向外传播，LCM对开关电源产生的共模噪声表现为高阻抗，衰减共模噪声对电网的干扰。

2、DC-DC电源的EMC设计

图3‑13 DC-DC电源模块的典型EMC电路

如图6.13所示第1部分用于EMS测试，第2部分用于EMI滤波，用户可以依据实际需求情况使用。下面逐个解释元器件的作用：

FUSE：保险丝，在后面负载电流过大时断开，保护电路安全，根据实际工作电流的的大小进行选择，太小会误保护，太大会达不到保护效果。

MOV，TVS：它们是一种限压型保护器件。可以把端电压钳位在一个相对固定的电压。压敏电阻的响应时间是nS级，比空气放电管快，比TVS管慢一些。TVS管的钳位电压要比MOV的钳位电压稳定，但是TVS管能通过的能量通量较小。因此，先用压敏电阻吸收大部分的瞬态高压能量，剩余的能量经过LDM+C1形成的低通滤波电路滤波和延时，剩余小能量的高压尖峰则被TVS管吸收。

LDM+C1：形成低通滤波，滤除差模的瞬态高压。

因为开关电源的工作模式，开关电源的输入电流由很大的交流电流分量。如果交流在很长的输入线里流动，就会造成很强的电磁辐射。

C1，C2，C3和LCM的差模电感分量形成π型滤波器，靠近EUT放置，滤除EUT向输入线端的高频差模电流。

C4，C5和LCM组成共模滤波电路，滤除共模电流，不让共模电流向输入端传播，在输入线上形成辐射，阻止在同一组输入线上的其他电路被干扰。

通讯端口隔离电源设计

CAN-bus、RS-485、RS-232等通讯端口，为达到一定的EMS防护等级，保证系统不受外界干扰的影响，都需要进行隔离设计。通信端口有两种类型的信号：电源和数字信号，两种信号需要分别进行隔离，才能实现整个通信端口的隔离。

1．采用分立元件的隔离电路

实现通讯端口的隔离，可以使用隔离电源、隔离光耦等器件分别对通信端口的供电以及信号分别进行隔离。电源隔离最常用的方法就是采用隔离电源模块，隔离电源模块除了将系统地和通讯地隔开，有效抗干扰外，还具有电压转换的功能。隔离电源模块给隔离后的通讯接口供电，可有效阻隔干扰，保护系统前级电路。信号的隔离可以采用隔离光耦实现，使用隔离光耦可以满足速率较低的通信信号隔离，成本更为经济，如图3.14所示。为更好的抑制高频瞬态干扰，可在隔离电源模块的输入端并接一TVS 管。选择TVS 管时，应综合考虑TVS 管的耐压、钳位电压等参数，选择合适的型号。

图3.14 通讯端口隔离

适合通讯隔离使用的电源模块大都为定压输入隔离非稳压输出系列，如广州致远电子的ZY_FKS-1W 系列电源模块，此系列的模块品种齐全，型号众多，有SIP、DIP、贴片等多种封装供选择，用户可根据使用条件选择合适的型号，以满足对体积、重量、性能、便携性等各方面的要求。

2．采用隔离的通讯模块

使用分立器件对通信端口进行隔离设计，由于分立器件的数量多，体积大，单个通信端口的隔离便会占用很大的板面积。对于体积要求严格的应用场合，并不是最合适的方案。且受制于普通隔离光耦的带宽，通信速率也受到了一定的限制。

为更进一步的简化设计，减少隔离通讯接口占用PCB 板的面积，可采用隔离收发器模块实现电源和电气的隔离，如广州致远电子的CTM 系列隔离CAN 收发器模块，RS-485 系列隔离RS-485收发器模块，单模块集成电源隔离、电气隔离、收发器、总线保护功能等，简化设计，使系统更加稳定可靠。

（1）CTM 系列隔离CAN 收发器

使用CTM 系列隔离CAN 收发器模块的示例电路如图3.15所示。类似分立元件的电路，最好在输入电源的端口加一TVS 管，以提高对瞬态干扰的抵抗能力。当该节点处于网络终端时，电阻R1 是必需的，该电阻阻值为120Ω，称为终端电阻。对电磁兼容性和纹波电压有严格要求的客户，可以选择屏蔽电缆线，并在CAN 总线上串接共模扼流圈。当选择屏蔽电缆线时，屏蔽电缆线的屏蔽层可接FGND引脚，也可以将屏蔽层单点接地，其中R2及C2为耐高压的电阻、电容，具有滤波等作用。

图3.15 CTM隔离CAN通讯电路设计

（2）RSM 系列隔离RS-485 收发器

使用RSM485 系列隔离RS-485 收发器时，其示例电路如图3.16所示。外部电路跟CTM 系列隔离收发器的电路类似。

图3.16 RSM485系列隔离RS-485电路设计

运放供电电源设计

运算放大器应用电路，如图3.17所示。运算放大器OPA的输入电压与信号S-in有关，对于全摆幅运算放大器，V+取值大于等于S-in最大值；非全摆幅的运算放大器，参考运算放大器的数据手册。此处电源采用隔离DC-DC电源模块，可以隔离输入输出两个通道之间的联系，避免接地环路，保护系统电路免受外部网路的影响。

图3.17 运算放大器应用电路图

继电器驱动电源设计

图6.18 继电器应用电路图

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

如图6.18所示，为继电器用于切换通讯方式的应用电路。继电器切换过程中的驱动电流会突变，所以需要在驱动电源的输出端加一定量的容性负载，例如电容C1。此处采用隔离DC-DC电源模块，可以避免继电器工作影响到外部电路，并为电路提供一个稳定的、高可靠性的电源。推荐电源型号如表6.6所示。

表6.6 推荐电源型号