電路設(shè)計(jì)技巧2：直流穩(wěn)壓電源返回路徑與I/O信號接地
2017-7-27 11:08:14??????點(diǎn)擊：
1直流穩(wěn)壓電源返回路徑
從圖1.2可以看出，直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源0V連線(0V(B))是與0V(A)分開的，只在直流穩(wěn)壓電源本身上有鏈接。如果比方說因?yàn)樽呔€經(jīng)濟(jì)方面的原因，你沒有按照這個(gè)操作，而是在直流穩(wěn)壓電源PCB3和直流穩(wěn)壓電源PCB2處將0V軌接在一起，如圖1.6所示，將會發(fā)生什么情況呢？
圖1.6 公共直流穩(wěn)壓電源返回路徑
來自PSUB/直流穩(wěn)壓電源PCB3和PSUA/直流穩(wěn)壓電源PCB2的直流穩(wěn)壓電源返回電流I0V現(xiàn)在共享相同長度的導(dǎo)線(或單塊直流穩(wěn)壓電源PCB系統(tǒng)中的走線)。這根導(dǎo)線顯著具有某個(gè)非零的阻抗，比如出于直流目的其值為RS。在原始直流穩(wěn)壓電源電路中，這根導(dǎo)線只承載I0V(2)，因此上面產(chǎn)生的電壓是：
VS = RS × I0V(2)
但在經(jīng)濟(jì)型直流穩(wěn)壓電源電路中，
VS = RS × (I0V(2) + I0V(3))
這個(gè)電壓與連接兩塊直流穩(wěn)壓電源電路板的直流穩(wěn)壓電源電壓串聯(lián)在一起，因此要從直流穩(wěn)壓電源電壓中減去這個(gè)值。將一些典型數(shù)值代入公式，
VB+為24V時(shí)，I0V(3) = 1.2 A，因?yàn)樗且粋€(gè)大功率直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源電路板；
VA+為3.3V時(shí)，I0V(2) = 50 mA，因?yàn)樗且粋€(gè)微處理器板，上面有一些CMOS邏輯：
現(xiàn)在假設(shè)，因?yàn)槎喾N原因，直流穩(wěn)壓電源與直流穩(wěn)壓電源電路板有一定的距離，你只能用2米長的7/0.2mm設(shè)備導(dǎo)線連接，這根導(dǎo)線在室溫下的電阻約為0.2Ω。那么電壓VS將是：
VS = 0.2 × (1.2 + 0.05) = 0.25 V
在慮及供電電壓容差和其它壓降之前，上述導(dǎo)線將使直流穩(wěn)壓電源PCB2上的直流穩(wěn)壓電源電壓下降到3.05V，低于3.3V邏輯直流穩(wěn)壓電源電路工作的下限。一種錯(cuò)誤的導(dǎo)線連接將使你的直流穩(wěn)壓電源電路工作岌岌可危！當(dāng)然，也要從24V直流穩(wěn)壓電源中減去0.25V，但這個(gè)直流穩(wěn)壓電源減小約1%基本上不會影響到正常工作。
2不斷改變的負(fù)載
如果直流穩(wěn)壓電源PCB3上的1.2A負(fù)載在變化——比方說幾個(gè)大電流繼電器可能在不同時(shí)間切換，從全關(guān)到全開——那么直流穩(wěn)壓電源PCB2上的VS壓降也會發(fā)生變化。這種情況通常比靜態(tài)壓降要糟糕，因?yàn)樗鼤?V線上引入噪聲，最終造成的后果包括：處理器工作不可靠，設(shè)置的電壓閾值發(fā)生變化，以及奇怪的反饋效應(yīng)，比如繼電器的顫動，或者在音頻直流穩(wěn)壓電源電路中產(chǎn)生低頻“次聲頻”振蕩。
為了進(jìn)行比較，將相同的數(shù)字應(yīng)用于圖1.2，并且采用分開的0V返回線。現(xiàn)在有兩個(gè)壓降需要考慮：針對3.3V直流穩(wěn)壓電源的VS(A)和針對24V直流穩(wěn)壓電源的VS(B)。VS(B)是1.2A乘上0.2Ω的值，與前面算的值(0.24V)相同，但只從24V直流穩(wěn)壓電源中減掉?，F(xiàn)在VS(A)是50mA乘以0.2Ω，或10mV，對于直流穩(wěn)壓電源PCB2的3.3V直流穩(wěn)壓電源來說壓降幾乎是0V，可以忽略。規(guī)則是：每次都要把直流穩(wěn)壓電源返回路徑分開來，以便每個(gè)直流穩(wěn)壓電源的負(fù)載電流在分開的導(dǎo)體中流動(圖1.7)。
圖1.7 連接直流穩(wěn)壓電源返回路徑的方式
值得注意的是，當(dāng)不同直流穩(wěn)壓電源具有不同的0V線(如圖1.2中所示)時(shí)，這個(gè)規(guī)則最容易滿足。但是，如果使用公共的0V線，上述規(guī)則也應(yīng)該滿足，如上圖所示。為求內(nèi)心的平靜，對布線的額外付出總是值得的。
3直流穩(wěn)壓電源軌饋線
上述規(guī)則同樣適用于直流穩(wěn)壓電源軌饋線及其返回路徑，事實(shí)上當(dāng)電流要在多個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路之間共享時(shí)任何連接都要滿足這個(gè)規(guī)則。比方說直流穩(wěn)壓電源PCB3上的大功率負(fù)載也從+5V直流穩(wěn)壓電源VA+得到供電，那么更好的連接方法是兩個(gè)分開的饋電線(圖1.8)。
圖1.8 分開的直流穩(wěn)壓電源軌饋線
這樣的理由與0V返回路徑是相同的：當(dāng)采用單根供電線時(shí)，會出現(xiàn)與供電電壓串聯(lián)的公共壓降，這次這個(gè)壓降是注入直流穩(wěn)壓電源軌而不是0V軌。故障癥狀也是相似的。
當(dāng)然，上述例子多少是有些人為的，因?yàn)闉榱说玫狡谕碾娏魍ǔＲ褂贸叽绺雍线m的導(dǎo)線。在長導(dǎo)線中流經(jīng)大電流要求低的電阻，因此要求使用厚的導(dǎo)體。如果你預(yù)測有顯著的壓降，那么你就得勞煩計(jì)算在給定線徑、長度和電流條件下的壓降值。第24頁上的表1.3給出了普通導(dǎo)線的電流承載能力供參考。前面這個(gè)例子的要點(diǎn)是，壓降具有當(dāng)你不希望見到它們時(shí)突然出現(xiàn)的習(xí)慣。
4導(dǎo)體阻抗
需要注意的是，在前面的例子以及后面幾頁的例子中，為了簡單起見，都假設(shè)導(dǎo)線阻抗是純電阻。事實(shí)上，實(shí)際的導(dǎo)線既有電阻也有電感，當(dāng)導(dǎo)線承載交流信號時(shí)電感就會起使用，并且隨著信號頻率的增加電感效應(yīng)愈加明顯。
一米長的16/0.2規(guī)格設(shè)備導(dǎo)線具有38mΩ的電阻和1.5μH的自感量。在流經(jīng)4A直流電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降為152mV。而變化率為4 A/μs的交流電流將在上面產(chǎn)生6V的電壓。注意這個(gè)差別是很大的！后面對導(dǎo)線類型的討論包含了詳細(xì)的電感方面內(nèi)容。
5輸入信號地
圖1.2顯示輸入信號被直接連線到了直流穩(wěn)壓電源PCB1，沒有在直流穩(wěn)壓電源PCB外面接地。為了在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步擴(kuò)展，兩線單端輸入連接的優(yōu)選方案是將接地回路直接接到輸入放大器的參考點(diǎn)，如圖1.9(a)所示。
圖1.9 輸入信號接地
找到單端輸入上的參考點(diǎn)通常并不容易：輸入電壓必須在這個(gè)點(diǎn)上生成，以便放大器增益單獨(dú)作用于這個(gè)點(diǎn)。這樣，通過公共阻抗的方式就不會引入與有害信號串接在一起的額外信號。在圖1.9的不良輸入布線例子中，從(b)到(d)情況越來越糟糕，阻抗X-X將成為一個(gè)有害的輸入信號源，因?yàn)槌溯斎腚娏魍?，還有其它電流在上面流動。
6連接到直流穩(wěn)壓電源PCB上其它地方的0V
對印刷直流穩(wěn)壓電源電路版圖控制的不充分是導(dǎo)致方案(b)的最常見理由，特別是如果使用了自動布線版圖軟件的時(shí)候。大多數(shù)CAD版圖軟件都假設(shè)0V軌是一個(gè)單節(jié)點(diǎn)，能夠在走線的任何點(diǎn)連接0V軌。為了克服這個(gè)問題，要么將輸入返回點(diǎn)規(guī)定為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，然后在以后連接，要么根據(jù)要求對最終版圖進(jìn)行編輯。人工設(shè)計(jì)版圖也會犯完全相同的錯(cuò)誤，雖然在這種情況下導(dǎo)致錯(cuò)誤的原因是設(shè)計(jì)師和版圖起草人之間缺少溝通。
7連接到裝置內(nèi)的0V
方案(c)也經(jīng)常遇到，這種情況經(jīng)常發(fā)生在輸入連接器的一個(gè)極點(diǎn)自然地與金屬外殼接觸，比如使用標(biāo)準(zhǔn)BNC同軸連接器時(shí)發(fā)生的情況，或者由于節(jié)省連接器的原因，在分布于多塊直流穩(wěn)壓電源電路板的多個(gè)輸入、直流穩(wěn)壓電源輸出或控制信號之間共享公共地導(dǎo)體之時(shí)。如果是敏感性高的輸入信號，那么后者是錯(cuò)誤的節(jié)約了。如果你必須使用BNC類型的連接器，你可以選用帶絕緣墊圈的版本，或者將它安裝在金屬外殼孔洞中的絕緣子面板上。
還有種偶然的情況，那就是將同軸線從未絕緣的BNC插座經(jīng)內(nèi)部連接到直流穩(wěn)壓電源PCB，而同軸外殼與BNC外殼及直流穩(wěn)壓電源PCB 0V連接在一起，這時(shí)會引入地環(huán)路(見1.1.4小節(jié))，除非這是走地電流的唯一路徑。但在射頻頻率時(shí)，這種效應(yīng)會由于同軸電纜能夠集中信號并在電纜內(nèi)返回電流而解決，因此地環(huán)路只是低頻時(shí)會出現(xiàn)的問題。
8外部地連接
盡管方案(d)是可以想像的最可怕的輸入接地方式，但不幸的是并不少見?，F(xiàn)在，不僅裝置內(nèi)部的噪聲信號會耦合進(jìn)信號路徑，而且所有方式的外部地噪聲都包含在內(nèi)。局部地電位差高達(dá)50Vat的工頻會存在于特別糟糕的地方，比如發(fā)電站，而幾伏的電位差較為常見。
使用這種版圖的唯一可以想到的理由是，輸入信號已經(jīng)被固定連接到裝置外部的遠(yuǎn)程地。如果確實(shí)是這種情況，最好是使用圖1.9(e)中的差分放大器，對低電平信號來說這通常是唯一可行的解決方案，而且對單端信號來說是正確方法的合理演進(jìn)(a)。如果由于某種原因你無法接受來自輸入信號的地返回連接，那么你將遭受到地注入噪聲。
如果目標(biāo)輸入信號的幅度比地注入干擾高好幾個(gè)數(shù)量級，那么圖1.9(b)到(d)所示的所有方案都將完美工作，而這是經(jīng)常發(fā)生的情況，也是它們最早成為習(xí)慣做法的原因。如果具有很好的實(shí)用性采納理由(比如連接器或走線成本限制)，而且你能肯定干擾電平不是個(gè)問題，那么就這樣做吧。但你在確?，F(xiàn)場不會發(fā)生問題之前，你需要確保所有可能的連接路徑都能受控。
基于相反的理由，直流穩(wěn)壓電源輸出信號也需要同樣的防范措施。輸入響應(yīng)不利于外部干擾，而直流穩(wěn)壓電源輸出是干擾之源。通常在電子直流穩(wěn)壓電源電路中，輸入和直流穩(wěn)壓電源輸出之間存在某種形式的功率放大，因此直流穩(wěn)壓電源輸出將工作在比輸入更高的電流值，因此存在有害反饋的可能性。
直流穩(wěn)壓電源輸出至輸入接地耦合的經(jīng)典問題是，輸入和直流穩(wěn)壓電源輸出在哪里共享公共阻抗，這與前面討論的直流穩(wěn)壓電源軌公共阻抗是相同的方式。在這種情況下，直流穩(wěn)壓電源輸出電流將經(jīng)過與輸入信號返回連接相同的導(dǎo)體循環(huán)流動(圖1.10(a))。
圖1.10 直流穩(wěn)壓電源輸出到輸入耦合
可將一種剪裁后的反饋機(jī)制通過RS的方式插入這個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路。放大器端子處的輸入電壓應(yīng)該是Vin，但實(shí)際值為：
Vin' = Vin - (Iout × RS)
重新畫這個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路，將所有對象都以放大器接地端子為參考(圖1.10(b))可以看得更清楚。這個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路的增益計(jì)算公式是：
Vout/Vin = A/(1 + [A × RS/(RL + RS)])
這個(gè)公式表明，當(dāng)[A × RS/(RL + RS)]這個(gè)項(xiàng)的值遠(yuǎn)小于-1時(shí)，直流穩(wěn)壓電源電路將發(fā)生振蕩。換句話說，對于反相放大器而言，負(fù)載阻抗與公共阻抗之比必須小于增益才能避免出現(xiàn)不穩(wěn)定性。
即使直流穩(wěn)壓電源電路保持穩(wěn)定狀態(tài)，但由于RS引起的額外耦合也會影響期望的響應(yīng)。同時(shí)要記住，上面的所有項(xiàng)都會隨頻率而改變，而且改變方式非常復(fù)雜，因此在高頻時(shí)的響應(yīng)是不可預(yù)測的。注意，雖然這種現(xiàn)象存在于模擬系統(tǒng)方面(例如音頻放大器)，但只要是有輸入-直流穩(wěn)壓電源輸出增益的任何系統(tǒng)都會受到同樣的影響。對于具有模擬輸入和數(shù)字直流穩(wěn)壓電源輸出并且受控的數(shù)字系統(tǒng)來說這個(gè)理論同樣成立。
9避免公共阻抗
更好的解決方案是通過仔細(xì)設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源輸出和直流穩(wěn)壓電源輸出接地版圖完全規(guī)避公共阻抗。我們已經(jīng)討論了輸入接地，而直流穩(wěn)壓電源輸出接地方案實(shí)際上是相似的：將直流穩(wěn)壓電源輸出接地回路直接連到提供直流穩(wěn)壓電源輸出電流的點(diǎn)，兩者之間再無其它連接(或至少沒有其它易感連接)。
正常情況下直流穩(wěn)壓電源輸出電流來自直流穩(wěn)壓電源，因此最好的解決方案是將返回路徑直接接回直流穩(wěn)壓電源。這樣圖1.2中直流穩(wěn)壓電源PCB3的版圖應(yīng)該像圖1.11(a)中那樣給大電流直流穩(wěn)壓電源輸出提供一個(gè)獨(dú)立的接地走線，或者大電流直流穩(wěn)壓電源輸出端子應(yīng)繞過直流穩(wěn)壓電源PCB3直接返回直流穩(wěn)壓電源(b)。
圖1.11 直流穩(wěn)壓電源輸出信號返回路徑
如果直流穩(wěn)壓電源PCB3只包含對RS上產(chǎn)生的電壓不敏感的直流穩(wěn)壓電源電路，那么第一種解決方案是可以接受的。關(guān)鍵點(diǎn)是要提前確定返回電流將流向何方，并確保它們不影響其余直流穩(wěn)壓電源電路的工作。要做到這一點(diǎn)，必須分析理解任何公共連接的交流和直流阻抗、直流穩(wěn)壓電源輸出電流的幅度和帶寬以及對可能受影響直流穩(wěn)壓電源電路的易感性。
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