常用电子电路设计.

馬駿2014.7一．常用电源设计二．振荡电路设计三．通用运放设计四．常用开关驱动常用单片机系统电源分类•线性电源–传统三端稳压器：7805，7812等–低压差线性电源(LowDropOutvoltageregulator)•直流开关电源：DC-DC–升压型：Step-up，Boost–降压型：Step-down，Buck–升降压型：自适应•电荷泵：ChargePump•逆变电源(DC-AC)：EL冷光片1/2/2020线性稳压器基本工作原理•原理框图1/2/2020调整管Q：--传统三端：PNP--LDO：PMOS线性电源应用—单一电压输出固定输出模式可调整输出模式1/2/2020线性电源应用—双电源输出单一稳压源模式双稳压源模式1/2/2020•传统三端稳压器与LDO的比较传统三端稳压器与LDO传统三端稳压器LM7805LDOCE6201输入电压范围最高35V12V抗噪能力73dB(FairchildLM7805)63dB(LP2981),45dB(LP2985)输入/输出压差高(Typ.2V)低(最低150mV)功耗大(2W)小(250~500mW)输出精度±2%~±4%±1%~±2%静态耗电5毫安5微安适用场合①使用市电为供电电源的产品，在变压器经整流电路后第一级电压调整②大功率电压调整③对调整效率要求不高①使用电池为供电电源的产品②小功率电压调整③多路电源分离④调整效率有一定要求1/2/2020线性稳压源器件选择•器件选择的注意点–VIN/VOUT端电压及纹波–功耗：最大功率，静态电流•器件选择注意事项–电容耐压值•铝电解：最小1.7倍工作电压(交流取有效值)，可适当提高到2倍•钽电容：2倍峰值电压–反馈电流设计：5~10Iq1/2/2020PCB布板要求•①输入与输出隔离•②Cin，Cout，IC三者GND直接相连•③电流流向VinCinICCoutVout1/2/2020②Good①,③不足PCB布板要求•散热：P=(Vin–Vout)*Iout–输入6V，输出4V，最大电流500mA，则三端稳压器上最大散热会达到1W•设计散热通道：–热源四周有充足的散热空间(勿放置在边角)–散热PAD(80%热能通过ThermalPAD传导)直接与大面积铺铜相连–过孔是良好的散热通道，把热量传导到其他层面–借助外力：散热片，导热胶等等1/2/2020直流开关电源•升压型(Boost)DC-DC基本原理1/2/2020K1K2ABK1K2ABDC-DCBoost实例1/2/2020TILMR62014BoostDC-DC典型应用电路1/2/2020•开关MOS管：IC内置•L1：储能电感(Powerchoke)•D1：(即K2)防止反向•C2：储能电容降压型(Stepdown/Buck)DC-DC1/2/2020降压型DC-DC基本工作原理MOSFET：开关，内置L：储能电感Cout：储能电容Diode：环路回流，内置Buck典型应用电路及效率图1/2/2020DC-DC元件选型•DC-DCIC：–根据不同应用进行选型–标称效率应在90%以上，实测效率80%–外围电路简单：MOS，Diode内置–SoftStart功能：减小启动时InrushCurrent•串联二极管–正向压降小：肖特基二极管，锗管–正向平均电流–反向恢复时间(Trr)：远低于开关振荡周期1/2/2020DC-DC元件选型•储能电感：–指定电感量：等效阻抗小(Q值高)–最大工作电流–工作频率–封装：Shielded方式EMC兼容性佳•储能电容：–LowESR：提升效率1/2/2020PCB设计1/2/2020•PCB设计：•布局紧凑，走线粗短(阻抗小，电流大)•开关电路屏蔽和隔离•反馈取样端与开关电路部分隔离•尽可能多的铺铜做散热和屏蔽实例1/2/2020PCB设计1/2/2020电荷泵(ChargePump)1/2/2020Cycle1:Cx充电，V(Cx)=VinCycle2:输出，Vout=Vin+V(Cx)=2Vin电荷泵基本工作原理电荷泵典型应用电路•特点：–Vout通常在Vin2~3倍–Iout供电能力不高(100mA)•元件选型：–Cx:LowESR(X7R)，容量根据ICDatasheet选型–Cin:≥2Cx–Cout:≥10~50Cx•PCB设计–Cx靠近IC，走线短而粗1/2/2020DC-DC稳压电源比较表LDODC-DCChargePump功能降压升/降压升压输出纹波小大中等效率较低高较高成本低高较高适用场合压差小，输出电流较小(功率小)，纹波小压差大，效率要求高2~3倍压，小电流1/2/2020晶体振荡电路•晶振的作用：为系统提供基本时钟信号•晶振种类：–谐振器:Resonator–石英晶体振荡器:Crystal–压控振荡器:VCXO–温度补偿振荡器:TCXO–其他:OXCO(恒温),VCTCXO(压控温度补偿)etc.•晶振的几个重要参数：–频率：–频率偏移：常以ppm为单位–负载电容(CL)–串联等效阻抗(ESR)1/2/2020晶体振荡电路•典型晶体振荡电路–Rf：内部反馈电阻–CL1/2：负载电容–Cs：寄生电容–Rext：外部限流电阻•负载电容计算–晶振规格书CL标称值–推荐NP0或X7R,±5%MLCC1/2/2020晶体振荡电路PCB设计•晶体振荡电路是单片机系统的关键组成部分，是敏感电路，也是噪声源–独立布局，走线要短–附近要避免高频，高噪，敏感信号–使用地线做隔离屏蔽1/2/2020PCB走线的分布电容1/2/2020一根20mm长，0.2mm宽，0.2mm间隔的走线，在FR4板上的分布电容约为：pF7965.0)102.0(5.485.8)1020()102.0(333PCB过孔的分布电容1/2/2020一个(D1)0.6mmViaPad，铺铜间隔(D2)1.0mm，在1.6mmFR4PCB上的寄生电容是：pF595.06.00.16.06.15.4055.0mmmilDDDTC055.041.1121D2D1T晶体振荡电路PCB设计1/2/20201.距离较远，两次穿孔2.走线穿越太多其他信号线3.无隔离通用运算放大电路•通用运放电路特性：–开环增益(DCvoltageGain)：80dB(10000倍)–输入电阻(InputImpedance):MΩ级–输入偏置电流(InputBiasCurrent):极小，nA级–共模抑制比(CMRR)：60~80dB–电源噪音抑制比(PSRR)：60dB•运放电路的分析方法–虚短：运放处于线性区时，两个输入端电位相等，Vin-=Vin+–虚断：运放处于线性区时，两个输入端视为等效开路I-=I+=01/2/2020反相/同相放大电路1/2/2020VinRRVout12VinRRRVout221反相比例放大电路加法器减法器(R1=R4,R2=R3)1/2/2020113223VRRVRRVout)12(12VVRRVout差分放大电路混音电路同相比例放大电路1/2/2020)21(443VVRRRVout差分放大电路1/2/2020)12(232112)321(2)321(1221VVRRRRVoVoVoutRRRRVxVyRRRIVoVoVVyVVx传递函数推算过程低通滤波器1/2/2020VinRinRVoutCRFfff210VinRRRVoutCRF23211210反相同相高通滤波器1/2/2020VinRRRVoutRinCinF121210运放的选择•使用范围–电源电压–输入/输出信号范围：NormalorRail-to-Rail1/2/2020运放的选择•频率特性(OnsemiLM324)1/2/2020运放的选择•其他指标1/2/2020运放电路的设计•电路：–注意平衡，可有效抑制干扰–单级放大倍数不宜过高•增益越高，精密度和稳定度越差•多级放大：前级10倍左右，主放大器50左右，不要超过100倍•微小信号放大：10倍左右•PCB设计：–电源：滤波电容靠近运放，走向电源电容运放–布局：走线短，输入端小信号走线需更加小心；布局无法克服的，输入信号要并排走，作为共模输入信号–模拟电路，需做相应隔离1/2/2020开关驱动电路•用单片机输出的小信号来控制大功率器件–马达–继电器–LED背光灯1/2/2020开关驱动电路设计•供电：–稳压源供电：电源/负载电流驱动能力–电池供电：确认工作电压范围，如碱性电池是0.9V~1.5V•三极管：–集电极电流驱动能力：Ic–放大倍数(hFE)–饱和压降：Vce–开关速度1/2/2020开关驱动电路设计•二极管：–作用：电感线圈的泄放通路–反向耐压值，正向电流•电阻：–计算三极管基极电流，注意功率•电容：–滤除可能产生的杂波隐患•I/O选择：–注意上电初始状态–输出H/L电平范围1/2/2020举例•充气泵：•三极管：1/2/2020举例•MCU：–默认为Input的I/O：高阻态•电池端：4节碱性电池–3.6~6V，需设计电池电压侦测电路，由软件控制最低使用电压不低于：3.6+0.25=3.85V•电阻选择：–Vr(min)=(3.3-0.4)-1.1=1.8V–Ir(min)=410/100=4.1mA–R=1.8/4.1=439Ω(可用430Ω，推荐390Ω)–最大功率：(3.3-0.83)^2/390=0.0156W–390Ω,5%/0603/0.1W1/2/2020附录1/2/2020电阻1/2/2020常用电阻类型比较厚膜电阻薄膜电阻碳膜电阻金属氧化膜阻值范围SMD:1~22MΩDIP:1~10GΩ10~1MΩ1~22MΩ窄，最大几百K温度特性±100~±350ppm±5~±200ppm-1300~350ppm±200~±300ppm精度一般5%,最好0.5%一般1%，最好0.05%5%~20%一般1%可靠性良好的耐冲击能力耐湿性不好，易氧化，抗冲击力差耐湿性不好易氧化耐湿性好，不易氧化，高温下稳定，耐热冲击价格十分便宜昂贵便宜昂贵功率一般小于1W一般小于1W一般小于2W功率高，可达数百W1/2/2020电阻特性比较•贴片式1/2/2020电阻特性比较•引线式1/2/2020电阻的选型•精度要求–常用的厚膜电阻为5%，1%以下用薄膜电阻–不建议设计高于0.1%精度要求(环境变化难以控制)•温漂–低温漂的选用薄膜电阻(金属皮膜电阻)–一般碳膜与陶瓷电阻温度系数为负值•功率–功率取决于封装–设计时应降额80%1/2/2020无极性电容：MLCC•贴片MLCC类型：1/2/2020C0G(NPO)X7RY5V介质特性稀有金属(铷，钐等)氧化物电气性能稳定的二类陶瓷介电常数高的二类陶瓷温度特性-55℃~125℃:±30ppm/℃-55℃~125℃：±15%-30℃~85℃：22%~-82%容量变化可忽略不计10年变化约5%随温度变化明显特点电容量和介质损耗最稳定；相同尺寸下容量小温度稳定型，相同体积下容量较大在较小物理尺寸上得到最大容量使用场合高频电路耦合，振荡器等要求不高的工业场合对容量，损耗要求不高的场合有极性电容：铝电解•铝电解电容：–铝电解电容是由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插入一片弯曲的铝带做正极制成。还需要经过直流电压处理，使正极片上形成一层氧化膜做介质。它的特点是容量大，但是漏电大，稳定性差，有正负极性，适宜用于电源滤波或者低频电路中。使用的时候，正负极不要接反–在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。另外还要注意的一个问题是工作电压裕量，一般来说要在15%以上–寿命：首先要明确一点，铝电解电容一定会坏，只是时间问题。影响电容寿命的原因有很多，过电压，逆电压，高温，急速充放电等等，正常使用的情况下，最大的影响就是温度，因为温度越高电解液的挥发损耗越快。1/2/2020有极性电容：钽电解•钽电容：–电解电容的一种，使