常用电子电路设计

1、常用电子电路设计,馬 駿 2014.7,目录,常用电源设计 振荡电路设计 通用运放设计 常用开关驱动,2020/7/1,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,2020/7/1,线性稳压器基本工作原理,原理框图,调整管Q： - 传统三端：PNP - LDO：PMOS,2020/7/1,线性电源应用单一

2、电压输出,固定输出模式,可调整输出模式,2020/7/1,线性电源应用双电源输出,单一稳压源模式,双稳压源模式,2020/7/1,传统三端稳压器与LDO的比较,传统三端稳压器与LDO,2020/7/1,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,2020/7/1,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, Good, ,不足,

3、2020/7/1,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,2020/7/1,直流开关电源,升压型(Boost)DC-DC基本原理,K1,K2,A,B,K1,K2,A,B,2020/7/1,DC-DC Boost实例,TI LMR62014,2020/7/1,Boost DC-DC典型应用电

4、路,开关MOS管：IC内置 L1：储能电感(Power choke) D1：(即K2)防止反向 C2：储能电容,2020/7/1,降压型(Step down/Buck)DC-DC,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,2020/7/1,Buck典型应用电路及效率图,2020/7/1,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

5、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,2020/7/1,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,2020/7/1,PCB设计,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,2020/7/1,实例,2020/7/1,PCB设计,2020/7/1,电荷泵(Charge Pump),Cycle1: Cx充电，V(Cx) = Vin,Cycle2: 输出，

6、Vout=Vin+V(Cx)=2Vin,电荷泵基本工作原理,2020/7/1,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+ = 0,2020/7/1,反相/同相放大电路,2020/7/1

7、,反相比例放大电路,加法器,减法器(R1=R4,R2=R3),差分放大电路,混音电路,2020/7/1,同相比例放大电路,2020/7/1,差分放大电路,传递函数推算过程,2020/7/1,低通滤波器,反相,同相,2020/7/1,高通滤波器,2020/7/1,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,2020/7/1,运放的选择,频率特性 (Onsemi LM324),2020/7/1,运放的选择,其他指标,2020/7/1,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：

8、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,2020/7/1,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,2020/7/1,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,2020/7/1,开关驱动电

9、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,2020/7/1,举例,充气泵： 三极管：,2020/7/1,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 ，推荐390

10、) 最大功率：(3.3-0.83)2/390=0.0156W 390 ,5%/0603/0.1W,2020/7/1,附 录,2020/7/1,电阻,2020/7/1,常用电阻类型比较,2020/7/1,电阻特性比较,贴片式,2020/7/1,电阻特性比较,引线式,2020/7/1,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%,2020/7/1,无极性电容：MLCC,贴片MLCC类型：,2020/7/1,有极

11、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。,2020/

12、7/1,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,2020/7/1,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,2020/7/1,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