自小白到天神,教你怎样顺利完成两套硬体开关电源

硬件教程2年前 (2022)发布 wan
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在学习电阻结构设计的时候,不知道你与否有这样的所苦:没错他们学了许多硬体电阻理论,也做过了一些基础操作实践,但却是无法结构设计出他们理想的电阻。归根到底,他们缺乏的是硬体电阻结构设计的路子,和工程项目实战作战经验。

结构设计这款硬体电阻,要熟悉电子元件的基本原理,比如电子元件原理、THF1及采用,专业委员会绘出结构设计图,并通过应用软件顺利完成PCB结构设计,熟练辅助工具的基本功采用,专业委员会怎样优化及增容电阻等。要怎样完整地结构设计两套硬体电阻结构设计,下面为大家撷取我的以下几点个人作战经验:

1)总体路子

结构设计硬体电阻,大的构架和构架要弄清楚,但要做到这一点还科粉。很多大构架也许他们的老板、老师已经想好,他们只是把路子具体内容同时实现;但也很多要他们结构设计构架的,那就要弄清楚要同时实现什么机能,接着找找有无能同时实现同样或相似机能的参照电阻板(要懂尽量利用别人的丰硕成果,越有作战经验的技师越会懂先进经验别人的丰硕成果)。

2)认知电阻

如果你找出了的参照结构设计,那么恭贺你,你可以节省许多时间了(包括前期结构设计和后期增容)。马上就 copy?NO,却是先看懂认知了再说,一方面能提高他们的电阻认知能力,而且能避免结构设计中的错误。

3)找出参照结构设计

在开始做硬体结构设计前,依照他们的工程项目需求,可以去找能够满足硬体机能结构设计的,有许多相关的参照结构设计。没有找出?也说实话,先确定大 IC 晶片,找 datasheet,看其关键性模块与否符合他们的要求,什么样才是他们须要的关键性模块,和能否看懂这些关键性模块,都是硬体技师的能力的体现,这也须要长期地慢慢地积累。这期间,要擅于发问,因为他们要学的东西,别人往往一句话就能说起你,尤其是硬体结构设计。

4)硬体电阻结构设计的三个部分:结构设计图、PCB 和电子零件目录(BOM)表

结构设计图结构设计,其实就是将前面的路子转化成为电阻结构设计图,它很像他们课本上的电阻图。pcb 涉及到实际的电阻板,它依照结构设计图转化成而来的烧写(烧写是沟通结构设计图和 pcb 之间的公路桥),而将具体内容的电子元件的PCB置放(产业布局)在电阻板上,接着依照X35KB815SG(也叫预Rampur)连接其电脉冲(配线)。顺利完成了 pcb 产业布局配线后,要加进什么样电子元件应该有所概括,所以他们将加进 BOM 表。

5)选择 PCB 结构设计辅助工具

Protel,也就是 Altium(现在入门的童鞋大多用 AD)容易上手,网上的学习教程资料也很全面,在国内也比较流行,应付一般的工作已经足够,适合初入门的结构设计者采用。

硬体电阻结构设计的大环节必不可少,主要都要经过以下这几个流程:

1)结构设计图结构设计

2)PCB 结构设计

3)制作 BOM 表

现在再谈一下具体内容的结构设计步骤

结构设计图建立 烧写生成

1. 结构设计图库建立。要将一个新元件摆放在结构设计图上,他们必须得建立改元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性,并且以具体内容的图形形式来代表(他们常常看到的是一个矩形(代表其 IC BODY),周围许多短线(代表 IC 管脚))。protel 创建库及其简单,而且因为用的人多,许多元件都能找出现成的库,这一点对采用者极为方便。应弄清楚 ic body,ic pins,input pin,output pin,analog pin,digital pin,power pin 等区别。

2. 有了充足的库之后,就可以在结构设计图上画图了,按照 datasheet 和系统结构设计的要求,通过 wire 把相关元件连接起来。在相关的地方添加 line 和 text 注释。wire 和 line 的区别在于,前者有电气属性,后者没有。wire 适用于连接相同网络,line 适用于注释图形。这个时候,应搞清一些基本概念,如:wire,line,bus,part,footprint,等等。

3. 做完这一步,他们就可以生成 netlist 了,这个 netlist 是结构设计图与 pcb 之间的公路桥。结构设计图是他们能认知的形式,电脑要将其转化成为 pcb,就必须将结构设计图转化成它认识的形式 netlist,接着再处理、转化成为 pcb。

4. 得到 netlist,马上画 pcb?别急,先做 ERC 先。ERC 是电气规则检查的缩写。它能对一些结构设计图基本的结构设计错误进行排查,如多个 output 接在一起等问题。(但是一定要仔细检查他们的结构设计图,不能过分依赖辅助工具,毕竟辅助工具并不能明白你的系统,它只是纯粹地依照一些基本规则排查。)

5. 从 netlist 得到了 pcb,一堆密密麻麻的元件,和数不清的X35KB815SG是不是让你吓了一跳?呵呵,别急还得慢慢来。

6. 确定板框大小。在 keepout 区(或 mechanic 区)画个板框,这将限制了你配线的区域。须要依照需求好考虑板长,板宽(有时,还得考虑板厚)。当然了,叠层也得考虑好。(叠层的意思就是,板层有几层,怎么应用,比如板总共 4 层,顶层走信号,中间第一层铺电源,中间第二层铺地,底层走信号)。

PCB 产业布局配线

先解释一下前面的术语。post-command,例如他们要拷贝一个 object(元件),他们要先选中这个 object,接着按 ctrl C,接着按 ctrl V(copy 命令发生在选中 object 之后)。这种操作 windows 和 protel 都采用的这种方式。但是 concept 就是另外一种方式,他们叫做 pre-command。同样他们要拷贝一个东西,先按 ctrl C,接着再选中 object,再在外面单击(copy 命令发生在选中 object 之前)。

1. 确定完板框之后,就该元件产业布局(摆放)了,产业布局这步极为关键性。它往往决定了后期配线的难易。什么样电子元件该摆正面,什么样元件该摆背面,都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁,智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。其实他们画了结构设计图,明白所有元件机能,自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画结构设计图的人来摆放元件,其结果往往会让你大吃一惊。对于初入门的,注意模拟元件,数字元件的隔离,和机械位置的摆放,同时注意电源的拓扑就可以了。

2. 接下来就是配线。这与产业布局往往是互动的。有作战经验的人往往在开始就能看出什么样地方能配线成功。如果很多地方难以配线还须要改动产业布局。对于 fpga 结构设计来说往往还要改动结构设计图来使配线更加顺畅。配线和产业布局问题涉及的因素许多,对于高速数字部分,因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂,但往往这些问题又是难以定量或即使定量也难以计算的。所以,在信号频率不是很高的情况下,应以布通为第一原则。

3. OK 了?别急,用 DRC 检查检查先,这是一定要检查的。DRC 对于配线顺利完成覆盖率和规则违反的地方都会有所标注,按照这个再一一的排查,修正。

4. 很多 pcb 还要加上敷铜(可能会导致成本增加),将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的 pcb 文件转成 gerber 文件就可交付 pcb 生产了。(很多直接给 pcb 也成,工厂会帮你转 gerber)。

5. 要装配 pcb,准备 bom 表吧,一般能直接从结构设计图中导出。但是须要注意的是,结构设计图中什么样部分元件该上,什么样部分元件不该上,要做到心理有数。对于小批量或研究板而言,用 excel 他们管理倒也方便(大公司往往要专业应用软件来管理)。而对于新手而言,第一个版本,不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将 bom 的料全部焊上,这样不便于排查问题。最好的方法就是,依照 bom 表他们准备好元件。等到板来了之后,一步步上元件、增容。

电阻板增容

1. 拿到板第一步做什么,不要急急忙忙供电看机能,硬体增容不可能一步增容顺利完成的。先拿万用表看看关键性网络与否有不正常,主要是看电源与地之间有无短路(尽管生产厂商已经帮你做过测试,这一步却是要他们亲自看看,有时候看起来某些步骤挺繁琐,但是可以节省你后面不少时间!),其实短路与否不光 pcb 有关,在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题,IO 短路一般不会造成灾难性的后果,但是电源短路就 ……

2. 电源网络没短路?那么好,那就看看电源输出与否是他们理想的值,对于初学者,增容的时候最好 IC 一件件晶片上,第一个要上的就是电源晶片。

3. 电源网络短路了?这个比较麻烦,不过要仔细看看他们结构设计图与否有可能这样的情况,同时结合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了,是 pcb 的问题(一般比较烂的 pcb 厂就可能出现这种情况),却是装配的问题,却是他们结构设计的问题。关于检查短路还有一些基本功,这在今后登出 ……

4. 电源晶片没有输出?检查检查你的电源晶片输入与否正常吧,还须要检查的地方有使能信号,分压电阻,反馈网络 ……

5. 电源晶片输出值不在预料范围?如果超过很离谱,比如到了 10%,那么看看分压电阻先,这两个分压电阻一般要用 1%的精度,这个你做到了没有,同时看看反馈网络吧,这也会影响你的输出电源的范围。

6. 电源输出正常了,别高兴,如果有条件的话,拿示波器看看吧,看看电源的输出跳变与否正常。也就是抓取开电的瞬间,看看电源从无到有的情况(至于为什么要看着个,嘿嘿 …… 专业人士却是要看的~)

电源结构设计

无疑电源结构设计是整个电阻板最重要的一环。电源不稳定,其他啥都别谈。我想不用 balabala 述说它究竟有多么重要了。

在电源结构设计他们用得最多的场合是,从一个稳定的高电压得到一个稳定的低电压。这也就是经常说的 DC/DC,其中用得最多的电源稳压晶片有两种,一种叫 LDO(低压差线性稳压器,他们后面说的线性稳压电源,也是指它),另一种叫 PWM(脉宽调制开关电源,他们在本文也称它开关电源)。他们常常听到 PWM 的效率高,但是 LDO 的响应快,这是为什么呢?别着急,先让他们看看它们的原理。

下面会涉及一些理论知识,但是依然非常浅显易懂,如果你要学,嘿嘿,得检查一下他们的基础了。

一、线性稳压电源的工作原理

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如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。他们的目的是从高电压 Vs 得到低电压 Vo。在图中,Vo 经过两个分压电阻分压得到 V ,V 被送入放大器(他们把这个放大器叫做误差放大器)的正端,而放大器的负端 Vref 是电源内部的参照电平(这个参照电平是恒定的)。放大器的输出 Va 连接到 MOSFET 的栅极来控制 MOSFET 的阻抗。Va 变大时,MOSFET 的阻抗变大;Va 变小时,MOSFET 的阻抗变小。MOSFET 上的压降将是 Vs-Vo。

现在他们来看 Vo 是怎么稳定的,假设 Vo 变小,那么 V 将变小,放大器的输出 Va 也将变小,这将导致 MOSFET 的阻抗变小,这样经过同样的电流,MOSFET 的压差将变小,于是将 Vo 上抬来抑制 Vo 的变小。同理,Vo 变大,V 变大,Va 变大,MOSFET 的阻抗变大,经过同样的电流,MOSFET 的压差变大,于是抑制 Vo 变大。

二、开关电源的工作原理

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如上图,为了从高电压 Vs 得到 Vo,开关电源采用了用一定占空比的方波 Vg1,Vg2 推动上下 MOS 管,Vg1 和 Vg2 是反相的,Vg1 为高,Vg2 为低;上 MOS 管打开时,下 MOS 管关闭;下 MOS 管打开时,上 MOS 管关闭。由此在 L 左端形成了一定占空比的方波电压,电感 L 和电容 C 他们可以看作是低通滤波器,因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压 Vo。Vo 经过 R1、R2 分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端 V ,误差放大器的输出 Va 做为第二个放大器(PWM 放大器)的正端,PWM 放大器的输出 Vpwm 是一个有一定占空比的方波,经过门逻辑电阻处理得到两个反相的方波 Vg1、Vg2 来控制 MOSFET 的开关。

误差放大器的正端 Vref 是一恒定的电压,而 PWM 放大器的负端 Vt 是一个三角波信号,一旦 Va 比三角波大时,Vpwm 为高;Va 比三角波小时,Vpwm 为低,因此 Va 与三角波的关系,决定了方波信号 Vpwm 的占空比;Va 高,占空比就低,Va 低,占空比就高。经过处理,Vg1 与 Vpwm 同相,Vg2 与 Vpwm 反相;最终 L 左端的方波电压 Vp 与 Vg1 相同。如下图

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当 Vo 上升时,V 将上升,Va 下降,Vpwm 占空比下降,经过们逻辑之后,Vg1 的占空比下降,Vg2 的占空比上升,Vp 占空比下降,这又导致 Vo 降低,于是 Vo 的上升将被抑制。反之亦然。

三、线性稳压电源和开关电源的比较

懂了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后,他们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声,较快的瞬态响应,但是效率差;而开关电源噪声较大,瞬态响应较慢,但效率高了。

线性稳压电源内部结构简单,反馈环路短,因此噪声小,而且瞬态响应快(当输出电压变化时,补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了 MOSFET 上,所以它的效率低。因此,线性稳压一般用在小电流,对电压精度要求高的应用上。

而开关电源,内部结构复杂,影响输出电压噪声性能的因数许多,且其反馈环路长,因此其噪声性能低于线性稳压电源,且瞬态响应慢。但是依照开关电源的结构,MOSFET 处于完全开和完全关两种状态,除了驱动 MOSFET,和 MOSFET 他们内阻消耗的能量之外,其他能量被全部用在了输出(理论上 L、C 是不耗能量的,尽管实际并非如此,但这些消耗的能量很小)。

总而言之,要学好硬体电阻结构设计,首先要弄清楚工程项目需求,依照机能结构设计硬体构架,结合参照结构设计,多先进经验别人的结构设计丰硕成果,复加进他们的硬体工程项目上面来。

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