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一、晶振电路
二、LDO选型
1.LDO工作原理
2.输入电压
3.效率
4.功耗
5.电源抑制比PSRR
6.线性调整率 Line Regulation
7.负载调节率 (Load Regulation)
8.静态电流
9.噪声
10.输出电容器
11.反向泄漏保护
12.RF、音频的应用
三、DC-DC
1.降压转换器-Buck…目录
一、晶振电路
二、LDO选型
1.LDO工作原理
2.输入电压
3.效率
4.功耗
5.电源抑制比PSRR
6.线性调整率 Line Regulation
7.负载调节率 (Load Regulation)
8.静态电流
9.噪声
10.输出电容器
11.反向泄漏保护
12.RF、音频的应用
三、DC-DC
1.降压转换器-Buck Converter
2.升压转换器-Boost Converter
3.反激转换器-Flyback Converter
四、通讯接口
1.USB 总线
2.UART
3.SPI
4.I2C
5.I2S
6.Ethernet
7.SD总线
8.SATA接口
9.PCI总线
10.CAN总线
11.PCI-e
五、典型运放应用
1.差分放大器
2.反相放大器
3.同相放大器
4.电压跟随器
5.运算典型参数
六、电磁兼容EMC
1.EMIElectromagnetic Interference——电磁干扰
2.EMSElectromagnetic Susceptibility——电磁抗敏感度
3.ESD防护
七、信号完整性SI-Signal Integrity
1.反射Reflection
2.串扰Crosstalk
3.过冲Overshoot和下冲Undershoot
4.振荡Ringing和 环绕振荡Rounding
5.地电平面反弹噪声和回流噪声
6.时域Time Domain和频域Frequency Domain
7.阻抗Impedance
8.建立时间Settling Time
9.管脚到管脚Pin-To-Pin的延时Delay
10.偏移Skew
11.斜率Slew Rate
12.静态线Quiescent Line
13.假时钟False Clocking
14.IBIS模型 八、TTL电平和CMOS电平
1TTL电平
2CMOS电平
3TTL和COMS电路比较
4、COMS电路的使用注意事项
九、DFX分析方法
1DFX分析概述
附录一 LDO使用之热阻考虑
1.LDO电源芯片的选型一
2.LDO电源芯片的选型二 一、晶振电路
大多数电子工程师都见过单片机中如下图所示的形式一般单片机都会有这样的电路。晶振的两个引脚与芯片如单片机内部的反相器相连接再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2组成一个皮尔斯振荡器Pierce oscillator 上图中U1为增益很大的反相放大器CL1、CL2为匹配电容是电容三点式电路的分压电容接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点输入和输出是反相的但从并联谐振回路即石英晶体两端来看形成一个正反馈以保证电路持续振荡它们会稍微影响振荡频率主要用与微调频率和波形并影响幅度。 X1是晶体相当于三点式里面的电感
R1是反馈电阻一般≥1MΩ它使反相器在振荡初始时处于线性工作区R2与匹配电容组成网络提供180度相移同时起到限制振荡幅度防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。
这里涉及到晶振的一个非常重要的参数即负载电容CLLoad capacitance它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容不是晶振外接的匹配电容主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻与晶体一起决定振荡器电路的工作频率通过调整负载电容就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。
负载电容的公式如下所示
CLCCCD×CGCDCGCPCBCI×COCICO
其中CS为晶体两个管脚间的寄生电容Shunt Capacitance
CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CO、外加匹配电容CL2即CDCPCBCOCL1
CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CI、外加匹配电容CL1即CGCPCBCICL2
一般CS为1pF左右CI与CO一般为几个皮法具体可参考芯片或晶振的数据手册
这里假设CS0.8pFCICO5pFCPCB4pF。
比如规格书上的负载电容值为18pF则有
18pF0.8CD×CGCDCG
18pF0.8CD20.8CG2
则CDCG34.4pF计算出来的匹配电容值CL1CL225pF
二、LDO选型
1.LDO工作原理
LDO核心架构P-MOS运放 LDO工作原理就一句话通过运放调节P-MOS的输出。运放控制P-MOS的打开程度。
LDO内部产生一个基准电压作为运放的反向电压将LDO的输出电压通过分压作为运放的正向输入电压。 运放的输出去控制P-MOS管的工作状态。
P-MOS相当于一个压控的可变电阻。
P-MOS处于线性电阻区可看成一个压控可变电阻。输入的VIN电压经过这个P-MOS管后变为输出电压这里P-MOS管的作用为将输入电压通过P-MOS的线性电阻区将电压动态衰减值VOUT电压。 LDO的负反馈回路
2.输入电压
最小的输入电压 VIN 必须大于 VOUT VDO。需要注意这与器件 Datasheet 中所给出的输入电压最小值无关。
3.效率
LDO的工作原理是通过负反馈调整输出电流使输出电压保持不变。LDO是一个降压型的DC/DC 转换器因此Vin Vout它的工作效率: η Pout/Pin(Iout×Vout)/(Iin×Vin) η (Iout×Vout)/((IoutIgnd)×Vin) LDO的工作效率一般在60~75%之间静态电流小的效率会好一些。在忽略 LDO 静态电流的情况下可以采用 VOUT / VIN 式子来计算效率。
4.功耗
计算例子见 附录一LDO使用之热阻考虑。
Pd(Vin-Vout)×IoutVin×Ignd 式中Ignd:接地电流有时也记作Iq:静态电流。因为Ignd很小所以一般估算为 Pd(Vin-Vout)xIout。 最大允许功耗(PDMAX)是最大环境温度(TA),最大允许结温(TJMAX)(125°C) 和结点到空气间热阻RθJA) 的函数。对于安装在典型双层FR4 电解铜镀层PCB板上的5引脚SOT-23A封装器件其RθJA)约为250°C/Watt。 PDMAX(TJMAX-TA)/RθJA 将计算出的Pd代入上式可求出 TJ然后将TJ与datasheet给出的最大允许节温相比较如果TJTJMAX则证明该调解器可用。 一般电源LDO允许的最大节温为125°C。所以可以计算出PDMAX满足PDPDMAX即可。 ************ 热阻的计算 RθJA RθJC RθCS RθSA 其中RθJA为LDO结到周围环境的热阻 RθJC为LDO结到表面封装的热阻 RθCS为LDO表面封装到散热片的热阻 RθSA为LDO散热片到周围环境的热阻 ************
5.电源抑制比PSRR
用最通俗的话解释就是电源的输入与输出的纹波的比值PSRR越高表明LDO对于纹波的抑制效果更好打个比方输入纹波为10mVPSRR 为75dB那么输出的纹波幅度为1.8uV纹波降低约5623倍。
6.线性调整率 Line Regulation
定义: 又称源效应或电网调整率是指输出电压随输入电压的线性变化的波动条件是全满载。输入电压在额定范围内变化时输出电压之变化率. Line Regulation()(Vmax-Vnor)/Vnor Line Regulation(-)(Vnor-Vmin)/Vnor Line Regulation(Vmax-Vmin)/Vnor Vnor:输入电压为常态值,输出为满载时之输出电压. Vmax:输入电压变化时之最高输出电压. Vmin:输入电压变化时之最低输出电压.
说明如只是简单计算Line Regulation Vnor可用Vrated即输出电压标称值。
检验方法输出全满载在输入电压全范围内测量输出电压观察示波器及万用表记下输入电压全范围变化时的输出电压最大和最小值利用上述公式求得线性调整率。
7.负载调节率 (Load Regulation)
定义: 又称负载效应是指输出电压随负载变化的波动条件是输入为额定电压。电源负载的变化会引起电源输出的变化,负载增加,输出降低,相反负载减少,输出升高。好的电源负载变化引起的输出变化减到最低,通常指标为3%~5%。 Line Regulation()(Vml-Vhl)/Vhl Line Regulation(-)(Vhl-Vfl)/Vhl×100% Line Regulation(%)(Vml-Vfl)/Vhl×100% Vml:最小负载时之输出电压 Vfl:满载时之输出电压 Vhl:半载时之输出电压
说明如只是简单计算Load RegulationVhl可用Vrated即标称电压来代替.
检验方法输入为额定电压分别在负载为空载、全满载两种输出情况下负载反复投切。观察示波器及万用表测量输出电压幅值和波形记下投切过程中的输出电压最大和最小值利用上述公式求得负载调整率。例如某5V直流稳压电源的输出电流从0增加到最大电流1A它的输出电压从5.00V降到了4.50V降落值0.5V除以标称输出电压5V得到10%这就是该电源的负载调整率。
8.静态电流
静态电流往往在我们设计超低功耗产品时重点关注比如一款蓝牙设备整机待机状态电流仅为1.5uA但LDO静态电流如果高达70uA甚至更高将严重影响待机时间我们必须选择静态电流在uA级别的LDO来满足设计要求。
9.噪声
噪声是衡量一个LDO性能的最关键参数噪声可以通过两种手段降至最低第一选择本底噪声很低的LDO型号第二在电路设计中将可能引入的电源噪声降至最低。但我们选型和设计中没必要吹毛求兹选择能够满足电路要求的LDO即可。选择合适的才是最好的。
10.输出电容器
输出电容器的 ESR 对于器件的稳定性来说至关重要。有的 LDO 声明采用具有较高 ESR 的钽电容器那么一定不要选用极低 ESR 的陶瓷电容器。然而有的 LDO 能够在未采用输出电容器或者只采用了低 ESR 的陶瓷类型的输出电容器稳定性就可以保证。曾经看到有的资料据此认为“可以确认可在采用任何类型的输出电容器的情况下具有稳定的工作特性。”---这点我一直不敢苟同实在值得商榷。作为设计人员应严格按照具体 LDO 器件的 Datasheet 选择最为合适类型的输出电容器。
11.反向泄漏保护
在某些 LDO 的输出端上的电压高于输入端的电压的特殊应用中反向泄漏保护可以有效防止电流从 LDO 的输出端流向输入端。如果忽视这点这种反向泄漏会损坏输入电源特别是当输入电源为电池的时候尤其需要重视。
12.RF、音频的应用
如果负载端为 RF、音频或其他对噪声敏感的应用那么应选择具有高电源纹波抑制PSRR的 LDO以实现对输入电源的抗噪性以及低输出噪声〈50uVms。有的 LDO 具有一个用来增加电容以降低输出噪声的旁路BP引脚亦可起到一定作用。 LDO应用 LDO的应用电路十分简单方便它工作时仅需要二个作输入、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器。 Vin和Vout的输入和输出滤波电容器应当选用宽范围、低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器使LDO在零到满负荷的全部量程范围内具有良好的稳压效果。一些LDO有一个“Bypass”管脚由它连接一个小的电容器可以进一步降低噪音。 LDO的工作效率一般在60~75%之间静态电流小的效率会好一些。 输入电压压差电压VDO 线性稳压器件的压差电压常常被误解。正如上面讨论的VI和VO之间的电压差是通过线性稳压器后的压降。对于固定的负载电流线性稳压器的输入与输出的电压降越小功率散耗就越低。压差电压是LDO稳压器技术指标中定义的能够稳压工作时VI和VO之间最小的差值又称为VDO。
三、DC-DC
1.降压转换器-Buck Converter 2.升压转换器-Boost Converter 3.反激转换器-Flyback Converter 四、通讯接口
1.USB 总线
现USB标准中按照速度等级和连接方式分为以下七种版本。注意USB-IF当前正式的主版本号只有USB 2.0和USB 3.2两个。 想了解跟多请访问USB中文网
2.UART
RS232传输速率一般不超过20Kbps速率低抗干扰能力差RS-232C能传输的最大距离不超过15m50英尺。
RS422定义了一种平衡通信接口将传输速率提高到10Mbps传输距离延长到4000英尺速率低于100Kbps时并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范被命名为TIA/EIA-422-A标准。
RS485增加了多点、双向通信能力即允许多个发送器连接到同一条总线上同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性扩展了总线共模范围后命名为TIA/EIA-485-A标准。最高传输速率10Mbps抗干扰能力强可以传距离1.5km。
平衡双绞线的长度与传输速率成反比在100Kbps速率以下才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。
3.SPI
全双工通信传输速率可达几Mbps水平比I2C快。
SPI的通信原理很简单它以主从方式工作这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备需要至少4根线事实上3根也可以单向传输时。也是所有基于SPI的设备共有的它们是SDI数据输入、SDO数据输出、SCLK时钟、CS片选。
1SDI – Serial Data In,串行数据输入
2SDO – Serial Data Out,串行数据输出
3SCLK – Serial Clock,时钟信号由主设备产生
4CS – Chip Select,从设备使能信号由主设备控制。 4.I2C
半双工只有2根线。数据线和时钟线。
标准速度100kbps
快速模式400kbps
高速模式3.4Mbps
在大多数情况下由于I2C接口采用Open Drain机制器件本身只能输出低电平无法主动输出高电平只能通过外部上拉电阻RP将信号线拉至高电平。因此I2C总线上的上拉电阻是必须的如图所示。 因为I2C总线在空闲时必须拉高只有是高的才能拉成低的所以这是之所以规定空闲时必须为高的一个原因要是保持“低”的话那是不可能成为“多主”总线的。 其实I2C总线接口在工作时只会检测高低电平他不会在乎有无上拉电阻的问题所以总线必须满足时序要求。 上拉电阻的大小会牵扯到两个问题一个是功耗一个是速度问题两者是一个矛盾体。如果你想尽量提高速度那么就牵涉到总线电容的问题其实很容易理解上拉电阻与总线的电容形成了RC高速时将直接影响通讯因为总线拉高时有个充电时间以及高电平的阀值如果还没有充电到足以保证从器件可以识别的高电平的阀值时主器件就以为完成了一个总线动作的话那么通讯肯定是不能进行的 如果你想尽可能降低功耗那么就要尽可能增大电阻以最大可能的减小电路各部分的消耗电流从而实现整体降低功耗但不可能无限大否则充电时间你会受不了的
I2C协议还定义了串联在SDA、SCL线上电阻Rs。该电阻的作用是有效抑制总线上的干扰脉冲进入从设备提高可靠性。这个电阻的选择一般在100200ohm左右。当然,这个电阻并不是必须的在恶劣噪声环境中可以选用。 5.I2S
I2S有4个主要信号
串行时钟SCLK也叫位时钟BCLK即对应数字音频的每一位数据SCLK都有1个脉冲。SCLK的频率2×采样频率×采样位数。
帧时钟LRCK(也称WS)用于切换左右声道的数据。LRCK为“1”表示正在传输的是左声道的数据为“0”则表示正在传输的是右声道的数据。LRCK的频率等于采样频率。
串行数据SDATA就是用二进制补码表示的音频数据。
有时为了使系统间能够更好地同步还需要另外传输一个信号MCLK称为主时钟也叫系统时钟Sys Clock是采样频率的256倍或384倍。在DAC内部的delta-sigma调制器以及数字滤波器都需要用到这个时钟大部分的DAC可以使用内部的振荡器产生这个时钟在某些要求较高的场合例如HIFI音响系统等需要使用一个额外的高质量的时钟用以获得最好的性能。这时候就需要用到MCLK信号了。切记MCLK并不是必须的。可有可无看设计要求。 6.Ethernet
也就是通常的网速。
早期的以太网传输速率只有10Mbps。
百兆网理论上最大100Mbps。
千兆网理论上最大1Gbps。
7.SD总线
最高能达10Mbps。
8.SATA接口
SATA1.0理论传输速度是150MB/s或者1.5Gb/s实际也就30MBps。
SATA2.0 300MBps即3Gbps。实际也就80MBps。
SATA3.0 600MBps即6Gbps。
eSATA理论传输速度可达到1.5Gbps或3Gbps。
9.PCI总线
PCI32位33MHz时钟频率数据传输速率 33 MHz * 32 bits / 8 bits/byte 132 MBps ≈ 1.056 Gbps。
PCI 2.164位66MHz时钟频率来说数据传输速率 66 MHz * 64 bits / 8 bits/byte 528 MBps ≈ 4.224 Gbps。
10.CAN总线
CAN全称为“Controller Area Network”即控制器局域网是国际上应用最广泛的现场总线之一。
直接通信距离最远可达10km(速率4Kbps以下)。
通信速率最高可达1MB/s(此时距离最长40m)。
可以多主方式工作网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息而不分主从通信方式灵活。
网络上的节点可分成不同的优先级可以满足不同的实时要求。
采用非破坏性位仲裁总线结构机制当两个节点同时向网络上传送信息时优先级低的节点主动停止数据发送而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据。
可以点对点一点对多点及全局广播几种传送方式接收数据。
11.PCI-e
PCI Express 总线频率 2500 MHz这是在 100 MHz 的基准频率通过锁相环振荡器(Phase Lock LoopPLL)达到的。
串行总线带宽(MB/s) 串行总线时钟频率(MHz) * 串行总线位宽(bit/8 B) * 串行总线管线 * 编码方式 * 每时钟传输几组数据(cycle)
PCI Express x1 总线位宽是 1位总线频率 2500 MHz串行总线管线是 1 条每时钟传输 2组数据编码方式为 8b/10b它的带宽为 476.84 MB/s即 3814.7 Mbps。带宽是 PCI 的 3.75 倍。
公式是 2500000000(Hz) * 1/8(bit) * 1(条管线) * 8/10(bit) * 2(每时钟传输2组数据) 500000000 B/s 476.8371582 MB/s即 3814.6972656 Mbps。
下面给出其它类型组合的带宽。
PCI Express x2 的带宽为 953.68 MB/s即 7629.4 Mbps。此模式仅用于主板内部接口而非插槽模式
PCI Express x4 的带宽为 1907.36 MB/s即 15258.9 Mbps。
PCI Express x8 的带宽为 3814.72 MB/s即 30517.8 Mbps。
PCI Express x16 的带宽为 7629.44 MB/s即 61035.5 Mbps。带宽是 AGP 8X 的 3.75 倍。
PCI Express x32 的带宽为 15258.88 MB/s即 122071 Mbps。
五、典型运放应用
1.差分放大器
差分放大电路的输入信号是从集成运放的反相和同相输入端引入如果反馈电阻RF等于输入端电阻R1输出电压为同相输入电压减反相输入电压这种电路也称作减法电路。 2.反相放大器
基本电路、电压并联负反馈输入端虚短、虚断。运放的平衡电阻是用来平衡运放的两个输入端子的失调电流的使得两个端子的电压平衡从而使运放的偏置电流不会产生附加的失调电压。
Vo -Vi*Rf / R1 特点
反相端为虚地所以共模输入可视为0对运放共模抑制比要求低
输出电阻小带负载能力强
要求放大倍数较大时反馈电阻阻值高稳定性差。
3.同相放大器
1. 基本电路电压串联负反馈 特点
输入电阻高输出电阻小带负载能力强
V-VVi所以共模输入等于输入信号对运放的共模 抑制比要求高
4.电压跟随器
输入电阻大输出电阻小能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小 。 5.运算典型参数
输入偏置电流 (Input Bias Current)这是流入或流出输入引脚的最小电流。如果在运放前级处理低电流这一点非常重要。此外它也可以作为应力导致性能偏离的指标因为这种类型的漏电流对辐射等应力非常敏感。
输入失调电流 (Input Offset Current)这是两个输入的偏置电流之间的差值。
输出失调电压 (Output Offset Voltage)这是当输入设置为某个固定参考值通常是地或中间电压时其理想直流输出与实际直流输出之间的差值。
输入失调电压 (Input Offset Voltage)这是必须施加到输入端的电压以将输出恢复到理想水平即模拟地或中间电压。
转换速率 (Slew Rate)这是输出电压变化的最大速率。这在使用运放处理突变信号如时钟或图像传感器输出时尤为重要。
带宽 (Bandwidth)这表示频率响应通常以闭环大/小信号3dB带宽或增益带宽积表示。在电压反馈运放中闭环增益与该增益下的3dB闭环带宽的乘积是一个常数。
开环增益 (Open-Loop Gain)这是运放在没有正反馈或负反馈时的增益。
共模抑制比 (CMRR)如果施加差分输入电压理想情况下输出不应受共模电压的影响。CMRR是共模增益与差模增益的比值。
电源抑制比 (PSRR)这表示输出不受电源电压变化影响的能力。PSRR是电源电压变化与输出电压变化的比值。
输入共模电压范围 (Input Common-Mode Voltage Range)这是共模输入电压的范围如果超过这个范围会导致输出信号的总谐波失真超过指定的最大或最小值。
输出电压摆幅 (Output Voltage Swing)这是在不发生波形削波的情况下可以获得的相对于零的最大正或负输出。
静态电流 (Quiescent Current)这是通常在输出禁用或输出电流接近零时消耗的电源电流。这个参数是设备变化的一个重要全局指标。
输入电压噪声 (Input Voltage Noise)这是反映在输入引脚的理想电压源的内部噪声电压通常以每赫兹平方根的伏特为单位表示。通常是噪声频率特性曲线在闪烁噪声之后和白噪声开始时的一个点。这个值在1nV/√Hz到20nV/√Hz之间变化。
输入电流噪声 (Input Current Noise)这与前一个类似但以输入端的电流形式表示。电流噪声比电压噪声变化更大取决于输入结构。它可以在0.1fA/√Hz到几个pA/√Hz之间变化。
六、电磁兼容EMC
EMC即电磁兼容Electromagnetic Compatibility是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能力也是电子、电气设各或系统的一项重要的技术性能。
EMC存在的三个要求干扰源、耦合途径、敏感装置。
电磁干扰有传导干扰和辐射干扰两种。
传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合干扰到另一个电网络。
辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合干扰到另一个电网络。 传导、辐射、骚扰和干扰
在进行PCB的EMC设计时常采用的措施有减少干扰源的强度、切断耦合路径和提高设备的抗干扰能力。
在进行信号完整性与电源完整性设计时降低信号的过冲、下冲、反射减缓信号上升沿和下降沿的速率降低电源的目标阻抗等也都是为了减少EMI辐射的强度减少EMI包含的频谱分量。
1.EMIElectromagnetic Interference——电磁干扰
即处在一定环境中的设备或系统正常运行时不应产生超过相应标准所要求的电磁能量于扰。这样的电磁干扰有
电源线传导骚扰CE测试
信号、控制线传导骚扰CE测试
辐射骚扰RE则试
谐波电流Harmonic测试
电压波动和闪烁Fluctuation and Flicker测试。
1. EMI测试
符合CISPR25对应国标为GB18655、CISPR12对应国标为GB14023、SAEJ551/5对应国标为GB18387标准的辐射骚扰测试
符合CISPR25对应国标为GB18655标准的传导耦合瞬态发射骚扰测试。
2.EMSElectromagnetic Susceptibility——电磁抗敏感度
即处在一定环境中的设各或系统正常运行时设各或系统能承受各种类型的电磁能量干扰。这种电磁能量干扰主要有
静电放电ESD抗扰度测试
电源端口的电快速瞬变脉冲群EFTB抗扰度测试
信号线、控制线的电快速瞬变脉冲群EFTB抗扰度测试
电源端口的浪涌SURGE和雷击测试
信号线、控制线的浪涌SURGE和雷击测试
壳体辐射抗扰度RS测试
电源端口的传导抗扰度CS测试
信号线、控制线的传导抗扰度CS测试
电源端口的电压跌落与中断测试DIP。
1. EMS测试
符合150763712标准规定的电源线传导耦合瞬态抗扰度测试
符合15076373标准规定的传感器电缆与控制电缆传导耦合瞬态抗扰度测试
符合150114527对应国标为GB17619标准规定的射频传导抗扰度测试
符合150114522对应国标为GB17619标准规定的辐射场抗扰度测试
符合150114523对应国标为GB17619标准规定的横电磁波TEM小室的辐射场抗扰度测试
符合150114524对应国标为GB17619标准规定的大电流注入BCI抗扰度测试
符合150114525对应国标为GB17619标准规定的带状线抗扰度测试
符合150114526对应囟标为GB17619标准规定的三平板抗扰度测试
符合15010605标准的静电放电抗扰度测试。
对于汽车及车载电子设备由于其电磁环境与供电环境相对特殊其EMC测试也相对特殊但也可分为EMI测试和EMS测试两大类。它更加突出ISO、CISPR和SAEJ标准的重要性具体的FMC测试项目有两个。 EMC设计不能像硬件电路设计、结构设计、软件设计等设计活动可以单独存在它依附于产品的其他设计活动中。如果一定要对EMC设计活动进行分类那么主要包括
1产品的EMC标准和需求分析
2产品机械结构构架的EMC设计包括产品中的电缆部分的设计
3电路原理图的EMC设计
4PCB的EMC设计
5EMC测试过程中出现问题的改进
3.ESD防护
1传导性ESD防护
对静电电流在电路中防护主要使用一些保护器件在敏感器件前端构成保护电路引导或耗散电流。此类保护器件有陶瓷电容压敏电阻TVS管等。
2辐射性ESD防护
对于静电产生的场对敏感电路产生影响防护方法主要是尽量减少场的产生和能量通过结构的改善增加防护能力对敏感线路实施保护。对场的保护通常比较困难在改良实践中探索出了一种叫做等位体的方法。通过有效地架接是壳体形成电位相同体抑制放电。事实证明此种方式有效易于实施。
防护静电的一般方法有许多包括减少静电的积累使产品绝缘防止静电发生对敏感线路提供支路分流静电电流对放电区域的电路进行屏蔽减少环路面积以保护电路免受静电放电产生的磁场的影响。有针对直接放电的也有针对关联场的耦合。
七、信号完整性SI-Signal Integrity
信号完整性是指信号在信号线上的质量。
信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
常见信号完整性问题及解决方法问题 问题 可能原因 解决方法 其他解决方法 过大的上冲 终端阻抗不匹配 终端端接 使用上升时间缓慢的驱动源 直流电压电平不好 线上负载过大 以交流负载替换直流负载 使用能提供更大驱动电流的驱动源 过大的串扰 线间耦合过大 使用上升时间缓慢的主动驱动源 在接收端端接重新布线或检查地平面 时延太大 传输线距离太长 替换或重新布线 检查串行端接 使用阻抗匹配的驱动源 变更布线策略 振荡 阻抗不匹配 在发送端串接阻尼电阻
1.反射Reflection
反射就是在传输线上的回波。信号功率电压和电流的一部分传输到线上并达到负载处但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗反射就不会发生了。
源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗反射电压为负反之如果负载阻抗大于源阻抗反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。
2.串扰Crosstalk
串扰是两条信号线之间的耦合信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
3.过冲Overshoot和下冲Undershoot
过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误误操作。
4.振荡Ringing和 环绕振荡Rounding
振荡的现象是反复出现过冲和下冲。信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起振荡属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中如时钟等振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的振荡可以通过适当的端接予以减小但是不可能完全消除。
5.地电平面反弹噪声和回流噪声
在电路中有大的电流涌动时会引起地平面反弹噪声简称为地弹如大量芯片的输出同时开启时将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声这样会在真正的地平面0V上产生电压的波动和变化这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。
由于地电平面包括电源和地分割例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等当数字信号走到模拟地线区域时就会产生地平面回流噪声。同样电源层也可能会被分割为2.5V3.3V5V等。所以在多电压PCB设计中地电平面的反弹噪声和回流噪声需要特别关心。
6.时域Time Domain和频域Frequency Domain
时域time domain是以时间为基准的电压或电流的变化的过程可以用示波器观察到。它通常用于找出管脚到管脚的延时delays、偏移skew、过冲overshoot、、下冲undershoot以及建立时间settling times。
频域frequency domain是以频率为基准的电压或电流的变化的过程可以用频谱分析仪观察到。它通常用于波形与FCC和其它EMI控制限制之间的比较。
7.阻抗Impedance
阻抗是传输线上输入电压对输入电流的比率值Z0V/I。当一个源送出一个信号到线上它将阻碍它驱动直到2*TD时源并没有看到它的改变在这里TD是线的延时delay。
8.建立时间Settling Time
建立时间就是对于一个振荡的信号稳定到指定的最终值所需要的时间。
9.管脚到管脚Pin-To-Pin的延时Delay
管脚到管脚延时是指在驱动器端状态的改变到接收器端状态的改变之间的时间。这些改变通常发生在给定电压的50%最小延时发生在当输出第一个越过给定的阈值threshold最大延时发生在当输出最后一个越过电压阈值threshold 测量所有这些情况。
10.偏移Skew
信号的偏移是对于同一个网络到达不同的接收器端之间的时间偏差。偏移还被用于在逻辑门上时钟和数据达到的时间偏差。
11.斜率Slew Rate
Slew rate就是边沿斜率一个信号的电压有关的时间改变的比率。I/O 的技术规范 如PCI状态在两个电压之间这就是斜率slew rate它是可以测量的。
12.静态线Quiescent Line
在当前的时钟周期内它不出现切换。另外也被称为 “stuck-at” 线或static线。串扰Crosstalk能够引起一个静态线在时钟周期内出现切换。
13.假时钟False Clocking
假时钟是指时钟越过阈值threshold无意识地改变了状态有时在VIL 或VIH之间。通常由于过分的下冲undershoot或串扰crosstalk引起。
14.IBIS模型
IBISInput/Output Buffer Information Specification模型是一种基于V/I曲线的对I/O BUFFER快速准 确建模的方法是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准它提供一种标准的文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数非常适合做振荡和串扰等高频效应的计算与仿真。 八、TTL电平和CMOS电平
1TTL电平
工作电压通常为5V。 高电平输出高电平通常大于2.4V输入高电平大于2.0V。 低电平输出低电平通常小于0.4V输入低电平小于0.8V。 特点TTL电路速度快传输延迟时间短5-10ns但功耗较大。
2CMOS电平
工作电压范围较广通常在3V到15V之间。 高电平输出高电平接近电源电压Vcc输入高电平大于0.7*Vcc。 低电平输出低电平接近0V输入低电平小于0.3*Vcc。 特点CMOS电路功耗低静态功耗几乎为零但速度较慢传输延迟时间长25-50ns。
3TTL和COMS电路比较
电压范围TTL电平固定在5V而CMOS电平范围更广。 噪声容限CMOS电平的噪声容限更大抗干扰能力更强。 功耗TTL电路功耗较大CMOS电路功耗较低。 速度TTL电路速度快CMOS电路速度相对较慢
4、COMS电路的使用注意事项 1COMS电路时电压控制器件它的输入总抗很大对干扰信号的捕捉能力很强。所以不用的管脚不要悬空要接上拉电阻或者下拉电阻给它一个恒定的电平。 2输入端接低内阻的信号源时要在输入端和信号源之间要串联限流电阻使输入的电流限制在1mA之内。 3当接长信号传输线时在COMS电路端接匹配电阻。 4当输入端接大电容时应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为RV0/1mA.V0是外界电容上的电压。 5COMS的输入电流超过1mA就有可能烧坏COMS。 九、DFX分析方法
1DFX分析概述
DFX是Design for X (面向产品生命周期各环节的设计)的缩写其中X代表产品生命周期的某一环节或特性主要包括
可制造性设计DFM——Design forManufacturability
可装配性设计 DFA------Design for Assembly
可靠性设计 DFR------Designfor Reliability
可服务性设计 DFS Design for Serviceability
可测试性设计 DFT Designfor Test
面向环保的设计 DFE------Design for Environment 等。 附录一 LDO使用之热阻考虑
1.LDO电源芯片的选型一
在通常的LDO设计中热阻参数的考虑常常被忽略。但是该参数对电源系统的影响却是很大的因为LDO的该参数若是选择不当就容易造成LDO芯片功耗过大、过热而进入热保护状态导致电源断电。
最近在一个系统的电源芯片的选型中系统输入为3.3V需要得到1.8V的电压该1.8V所需最大电流250mA左右为了减小纹波对系统性能的影响考虑用LDO来进行电压转换最初选择了Sipex一个LDOSP6205EM5-ADJSOT-23-5。
该芯片的主要参数为2.7V~5.5V的电压输入范围500mA电流输出输出电压可调具有限流和热保护功能等。 咋一看该电源芯片可满足系统需求250mA的所需电流用500mA也是余量足够了。但与同事讨论其说该芯片根本达不到500mA的输出电流因为其热阻较高。于是我开始详细的阅读该芯片Datasheet发现其确实存在该问题。
以下讨论都是以该芯片的SOT-23-5封装为例说明。
Thermal Resistance SOT-23-5QJA191 ℃/W
DFN-8QJA59 ℃/W
最大功率消耗为PD(max) TJ(max)-TA/ θJA其中TJ为节点温度TA为环境温度θJA为热阻。
当芯片超过了最大允许功耗时节点温度会过高从而芯片进入热保护模式。
SP6205-ADJSOT-23-5封装的最大功耗为
PD(max) ( 125℃ – 25℃ ) / (191 ℃/W) 523 mW
实际工作过程中芯片功耗为
PD ( Vin – Vout)*Iout Vin * IGND
通常IGND为uA级比如SP6205在500mA输出时的IGND0.35mA若要求不是特别精确基本可忽略Vin*IGND该项的影响。
因此芯片实际工作时的功耗必须限制在最大允许功耗范围内超过PD(max)则芯片进入热保护模式。
根据式1我们就可以算出以下参数
a在已知输入输出压差的条件下得出最大输出电流
例如输入电压5V输出电压3V则
523mW (5V – 3V)*I(load(max)) 5V * 0.35mA
则 I(load(max)) 260.6mA。
b在已知负载电流的条件下得出输入输出允许最大压差
例如输出电压为3V负载电流为400mA则
523mW Vin – 3V* 400mA Vin * 0.35mA
则 Vin(max) 4.3V△Vmax1.3V。 所以在LDO电源芯片选型的过程中应该根据实际情况的需求认真考虑其热阻参数。 回到本文开头说提到的系统需求计算得到的实际最大输出电流为I(load(max)) 347mA。与芯片500mA的输出电流相比电流余量大大降低了。而且该电流最大值是在环境温度25℃理想情况下计算得到的随着工作时间的推移芯片的温度会逐渐升高该输出电流的最大值还会进一步降低。其500mA的输出电流只有在输入输出压差1V以内、室温25℃的情况下才可以得到。
从以上分析可见LDO的热阻参数对其它参数如输出电流、输入输出压差等是有较大影响的必须予以考虑。选型时应尽量选择热阻小的芯片或封装尤其是同一型号芯片的不同封装其热阻会相差较大比如以上电源芯片SP6205的DFN-8封装其热阻就只有59℃/W较之SOT-23-5封装的191℃/W小了不少。
2.LDO电源芯片的选型二
LDO芯片的主要有输出电压、最大输出电流、输入输出电压差、 负载调整率、线性调整率、电源抑制比PSRR。在芯片选型时这些都需要进行对比择优而选之
例现有一个输出1.2V负载电流为0.4A的应用有两个芯片作为备选方案ADM7171和AMS1117-1.2。主要参数对比如文章最后表格可以看出二者各有优劣。
下面我们根据最重要的一条来决定两个芯片谁更适合本应用设计----最高工作温度下的芯片晶元结温。
一般LDO电源芯片功耗Pd [(Vin–Vout)*Iload]( Vin*Ignd)其中Vin为芯片电源输入电压、Vout为芯片输出电压、Iload为负载电流、Ignd为接地电流通常Ignd可忽略不计。Pd (Vin–Vout)*Iload。
查找手册确定芯片的热阻ADM7171如图4AMS1117-1.2如图5。 图4 ADM7171 热阻 图5-1 AMS1117热阻 图5-2 AMS1117热阻表
根据table1按最低55℃/W计算。
LDO芯片晶元结温计算公式为TjTa(Pd*θja)其中Tj晶元结温Ta环境温度θja芯片热阻。假设系统电源为3.3V这里按工业产品最高工作85℃。根据芯片功耗及热阻计算在最高温度时芯片晶元结温
ADM7171Tj85℃(0.84W*36℃/W)115℃与最大工作结温相差10℃。
AMS1117Tj85℃(0.84W*55℃/W)136℃超过最大工作结温11℃。
显然ADM7171更能满足高温工作的性能。
2LDO电源芯片电路设计
虽然ADM7171是较为合适的选择但结温降额只有10℃从长期工作可靠性角度来讲还是有些不满足要求。在系统电源为3.3V的情况下可以在ADM7171的电源输入串入一个二极管如图6使Pd [(Vin–Vout)*Iload]中的Vin–Vout差值进一步降低。 图6 最终电路图
图7为1N5819二极管手册。正向压降为0.55V此时Tj85℃((3.3-0.55-1.2)0.4*36℃/W)(0.62W*36℃/W)107℃。此时二极管通过电流为I (PoPd)/Uin(1.2*0.40.62)/(3.3-0.55)0.4A为1N5819正向导通电流的一半符合工业产品降额要求。 图7-1 二极管正向电流 图7-2 二极管正向压降 文章转载自： http://www.morning.qqklk.cn.gov.cn.qqklk.cn http://www.morning.prgyd.cn.gov.cn.prgyd.cn http://www.morning.tyhfz.cn.gov.cn.tyhfz.cn http://www.morning.lsgjf.cn.gov.cn.lsgjf.cn http://www.morning.qpsft.cn.gov.cn.qpsft.cn http://www.morning.rwlsr.cn.gov.cn.rwlsr.cn http://www.morning.qlckc.cn.gov.cn.qlckc.cn http://www.morning.khdw.cn.gov.cn.khdw.cn http://www.morning.qmmfr.cn.gov.cn.qmmfr.cn http://www.morning.qlrtd.cn.gov.cn.qlrtd.cn http://www.morning.bnzjx.cn.gov.cn.bnzjx.cn http://www.morning.cwrnr.cn.gov.cn.cwrnr.cn http://www.morning.bfjyp.cn.gov.cn.bfjyp.cn http://www.morning.fjntg.cn.gov.cn.fjntg.cn http://www.morning.tknqr.cn.gov.cn.tknqr.cn http://www.morning.shxmr.cn.gov.cn.shxmr.cn http://www.morning.pcgrq.cn.gov.cn.pcgrq.cn http://www.morning.grqlc.cn.gov.cn.grqlc.cn http://www.morning.yxbdl.cn.gov.cn.yxbdl.cn http://www.morning.fgxws.cn.gov.cn.fgxws.cn http://www.morning.plqqp.cn.gov.cn.plqqp.cn http://www.morning.nqypf.cn.gov.cn.nqypf.cn http://www.morning.nyqxy.cn.gov.cn.nyqxy.cn http://www.morning.tmcmj.cn.gov.cn.tmcmj.cn http://www.morning.wslpk.cn.gov.cn.wslpk.cn http://www.morning.fxqjz.cn.gov.cn.fxqjz.cn http://www.morning.qtkfp.cn.gov.cn.qtkfp.cn http://www.morning.wkws.cn.gov.cn.wkws.cn http://www.morning.nj-ruike.cn.gov.cn.nj-ruike.cn http://www.morning.ngdkn.cn.gov.cn.ngdkn.cn http://www.morning.clpfd.cn.gov.cn.clpfd.cn http://www.morning.hlmkx.cn.gov.cn.hlmkx.cn http://www.morning.qwnqt.cn.gov.cn.qwnqt.cn http://www.morning.dbrpl.cn.gov.cn.dbrpl.cn http://www.morning.smxrx.cn.gov.cn.smxrx.cn http://www.morning.hrpjx.cn.gov.cn.hrpjx.cn http://www.morning.rnkq.cn.gov.cn.rnkq.cn http://www.morning.rkfgx.cn.gov.cn.rkfgx.cn http://www.morning.yongkangyiyuan-pfk.com.gov.cn.yongkangyiyuan-pfk.com http://www.morning.dlgjdg.cn.gov.cn.dlgjdg.cn http://www.morning.fqtdz.cn.gov.cn.fqtdz.cn http://www.morning.dhpjq.cn.gov.cn.dhpjq.cn http://www.morning.wwdlg.cn.gov.cn.wwdlg.cn http://www.morning.rwmp.cn.gov.cn.rwmp.cn http://www.morning.skdrp.cn.gov.cn.skdrp.cn http://www.morning.hpmzs.cn.gov.cn.hpmzs.cn http://www.morning.lfsmf.cn.gov.cn.lfsmf.cn http://www.morning.dnqliv.cn.gov.cn.dnqliv.cn http://www.morning.dywgl.cn.gov.cn.dywgl.cn http://www.morning.jmwrj.cn.gov.cn.jmwrj.cn http://www.morning.mszwg.cn.gov.cn.mszwg.cn http://www.morning.tnjkg.cn.gov.cn.tnjkg.cn http://www.morning.zsthg.cn.gov.cn.zsthg.cn http://www.morning.bqwrn.cn.gov.cn.bqwrn.cn http://www.morning.zsrdp.cn.gov.cn.zsrdp.cn http://www.morning.hmfxl.cn.gov.cn.hmfxl.cn http://www.morning.ycmpk.cn.gov.cn.ycmpk.cn http://www.morning.bpmtj.cn.gov.cn.bpmtj.cn http://www.morning.rjfr.cn.gov.cn.rjfr.cn http://www.morning.krwzy.cn.gov.cn.krwzy.cn http://www.morning.ghgck.cn.gov.cn.ghgck.cn http://www.morning.pmsl.cn.gov.cn.pmsl.cn http://www.morning.znqmh.cn.gov.cn.znqmh.cn http://www.morning.simpliq.cn.gov.cn.simpliq.cn http://www.morning.dtmjn.cn.gov.cn.dtmjn.cn http://www.morning.ai-wang.cn.gov.cn.ai-wang.cn http://www.morning.lrprj.cn.gov.cn.lrprj.cn http://www.morning.jkszt.cn.gov.cn.jkszt.cn http://www.morning.wnjsp.cn.gov.cn.wnjsp.cn http://www.morning.frpb.cn.gov.cn.frpb.cn http://www.morning.bscsp.cn.gov.cn.bscsp.cn http://www.morning.fesiy.com.gov.cn.fesiy.com http://www.morning.nmnhs.cn.gov.cn.nmnhs.cn http://www.morning.mqwdh.cn.gov.cn.mqwdh.cn http://www.morning.flzqq.cn.gov.cn.flzqq.cn http://www.morning.qqhmg.cn.gov.cn.qqhmg.cn http://www.morning.sgtq.cn.gov.cn.sgtq.cn http://www.morning.xnyfn.cn.gov.cn.xnyfn.cn http://www.morning.ptdzm.cn.gov.cn.ptdzm.cn http://www.morning.lnwdh.cn.gov.cn.lnwdh.cn
