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1、常用电子电路设计常用电子电路设计 馬 駿 2014.7 目录目录 1常用电源设计 2振荡电路设计 3通用运放设计 4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(Low Drop Out voltage regulator) 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：Charge Pump 逆变电源(DC-AC)：EL冷光片 3/25/2016 线性稳压器基本工作原理 原理框图 3/25/2016 调整管Q： - 传统三端：PNP - LDO：PMOS 线
2、性电源应用单一电压输出 固定输出模式可调整输出模式 3/25/2016 线性电源应用双电源输出 单一稳压源模式双稳压源模式 3/25/2016 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LM7805LDO CE6201 输入电压 范围最高35V12V 抗噪能力73dB(Fairchild LM7805)63dB(LP2981),45dB(LP2985) 输入/输出压差高(Typ. 2V)低(最低150mV) 功耗大 (2W)小(250500mW) 输出精度2% 4% 1% 2% 静态耗电5毫安5微安 适用场合 使用市电为 供电电 源的产品 ，在变压 器经整流电路后
3、第一 级电压调 整 大功率电压调 整 对调 整效率要求不高 使用电池为供电电 源的产品 小功率电压调 整 多路电源分离 调整效率有一定要求 3/25/2016 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： 510 Iq 3/25/2016 PCB布板要求 输入与输出隔离 Cin，Cout，IC三者GND直接相连 电流流向Vin CinICCoutVout 3/25/2016 Good ,不足 PCB布板要求 散热：
4、 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Thermal PAD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 3/25/2016 直流开关电源 升压型(Boost)DC-DC基本原理 3/25/2016 K1 K2 AB K1 K2 AB DC-DC Boost实例 3/25/2016 TI LMR62014 Boost DC-DC典型应用电路 3/25/2016 开关MOS管
5、：IC内置 L1：储能电感(Power choke) D1：(即K2)防止反向 C2：储能电容 降压型(Step down/Buck)DC-DC 3/25/2016 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 3/25/2016 DC-DC元件选型 DC-DC IC： 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 Soft Start功能：减小启动时Inrush Current 串联二极管 正向压降小：肖特基二极管，锗管 正向平均电流
6、反向恢复时间(Trr)：远低于开关振荡周期 3/25/2016 DC-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： Low ESR：提升效率 3/25/2016 PCB设计 3/25/2016 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 3/25/2016 PCB设计 3/25/2016 电荷泵(Charge Pump) 3/25/2016 Cycle1: Cx充电，V(Cx) = VinCycle2: 输出，V
7、out=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Vin 23倍 Iout供电能力不高(80dB (10000倍) 输入电阻(Input Impedance): M级 输入偏置电流(Input Bias Current): 极小，nA级 共模抑制比(CMRR)：6080dB 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+ = 0 3/25/2016 反相/同相放大电路 3/25/2016 反相比例放大电
8、路 加法器 减法器(R1=R4,R2=R3) 3/25/2016 差分放大电路 混音电路 同相比例放大电路 3/25/2016 差分放大电路 3/25/2016 传递函数推算过程 低通滤波器 3/25/2016 反相同相 高通滤波器 3/25/2016 运放的选择 使用范围 电源电压 输入/输出信号范围：Normal or Rail-to-Rail 3/25/2016 运放的选择 频率特性 (Onsemi LM324) 3/25/2016 运放的选择 其他指标 3/25/2016 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
9、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 3/25/2016 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 3/25/2016 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 0.9V1.5V 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 3/25/2016 开
10、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 3/25/2016 举例 充气泵： 三极管： 3/25/2016 举例 MCU： 默认为Input的I/O：高阻态 电池端：4节碱性电池 3.66V，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=439 (可用430
11、，推荐390 ) 最大功率：(3.3-0.83)2/390=0.0156W 390 ,5%/0603/0.1W 3/25/2016 附 录 3/25/2016 电阻 3/25/2016 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: 122M DIP: 110G 101M122M窄，最大几百K 温度特性100350ppm5200ppm-1300350ppm200300ppm 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
12、 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W 3/25/2016 电阻特性比较 贴片式 3/25/2016 电阻特性比较 引线式 3/25/2016 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% 3/25/2016 无极性电容：MLCC 贴片MLCC类型： 3/25/2016 C0G(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
13、陶瓷 介电常数高的二类陶 瓷 温度特性 -55125: 30ppm/ -55125： 15% -3085： 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
14、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。 3/25/2016 有极性电容：钽电解 钽电容： 电解电容的一种，使用金属钽做介质。由于电容内部没有电解液 ，很适合在高温下工作。在钽电容器工作过程中，具有自动修补 或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能，使氧化膜介质
15、随时得到加固 和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。这种 独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势。 钽电容的性能优异，是电容器中体积小而又能达到较大电容量的 产品，在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手 一般工业领域，工作电压选择耐压值的50%；针对小型化要求较高 的场合，也要保留6070%耐压余量 3/25/2016 常用电感 引线式式电感： 按有无铁心：空心线圈， 磁心线圈 按绕线型式：单层线圈， 多层线圈，蜂房式线圈 按工作性质：振荡线圈， 扼流线圈，陷波线圈等 3/25/2016 常用电感 贴片式电感： 绕线型：电感范围广， 精度高，损耗小(Q值大) ，容许电流大 叠层型：小型化，磁屏 蔽好，可靠性好。Q值小 ，感量小 薄膜片式：微波频段保 持高Q值，高精度，高稳 定型 编织型：1MHz以下单位 体积感量大，用于功率 处理的微型磁性单元 3/25/2016 电感的主要参数 感量：L 直流电阻：R 品质因数Q：Q = 2fL/R 额定电流：长时间通过电感的直流电流值 固有频率f0：因分布电容的存在，电感有一 个固有频率，工作频率应远低于固有频率 3/25/2016 电感的选型 尺寸要求：对于便携式产品尤为重要 额定电流：符合电路要求并留有一定余量 Q值：尤其是工作频率的Q值，对于DC-DC电 路直接影响转换效率 屏蔽要求：EMC风险 3/25/2016