板载电源设计

热插拔

1、热拔插系统必须使用电源缓启动设计

热拔插系统在单板插入瞬间，单板上的电容开始充电。因为电容两端的电压不能突变，会导致整个系统的电压瞬间跌落。同时因为电源阻抗很低，充电电流会非常大，快速的充电会对系统中的电容产生冲击，易导致钽电容失效。如果系统中采用保险丝进行过流保护， 瞬态电流有可能导致保险丝熔断， 而选择大电流的保险丝会使得在系统电流异常时可能不熔断，起不到保护作用。所以，在热拔插系统中电源必须采用缓启动设计，限制启动电流，避免瞬态电流过大对系统工作和器件可靠性产生影响。

LDO

1、在压差较大或者电流较大的降压电源设计中，建议采用开关电源，避免使用 LDO

采用线性电源（包括 LDO）可以得到较低的噪声，而且因为使用简单，成本低，所以在单板上应用较多。FPGA 内核电源、某些电路板上射频时钟部分的电源等都使用线性电源从更高电压的电源上调整得到。LDO必须计算热耗并满足降额规范

2、LDO  输出端滤波电容选取时注意参照手册要求的最小电容、电容的 ESR/ESL 等要求确保电路稳定。推荐采用多个等值电容并联的方式，增加可靠性以及提高性能

LDO 输出电容为负载的变化提供瞬态电流，同时因为输出电容处于电压反馈调节回路之中，在部分 LDO 中，对该电容容量有要求以确保调节环路稳定。该电容容量不满足要求，LDO 可能发生振荡导致输出电压存在较大纹波。

多个电容并联，以及对大容量电解电容并联小容量的陶瓷电容，有利于减少 ESR 和 ESL，提高电路的高频性能，但是对于某些线性稳压电源，输出端电容的 ESR 太低，也可能会诱发环路稳定裕量下降甚至环路不稳定。

滤波电容

1、  电源滤波可采用 RC 、LC 、π 型滤波。电源滤波建议优选磁珠，然后才是电感。同时电阻、电感和磁珠必须考虑其电阻产生的压降

插：电感和磁珠比较

2、  大容量电容应并联小容量陶瓷贴片电容使用

大容量电容一般为电解电容，其体积较大，引脚较长，经常为卷绕式结构（钽电容为烧结的碳粉和二氧化锰） 。这些电容的等效串联电感较大，导致这些电容的高频特性较差，谐振频率大约在几百 KHz到几 MHz 之间（参见 Sanyo 公司 OSCON 器件手册和 AVX 公司钽电容器件手册） 。小容量的陶瓷贴片电容具有低的 ESL 和良好的频率特性，其谐振点一般能够到达数十至数百 MHz（参见参考文献《High-speed Digital Design》以及 AVX 等公司陶瓷电容器件手册） ，可以用于给高频信号提供低阻抗的回流路径，滤除信号上的高频干扰成分。因此，在应用大容量电容（电解电容）时，应在电容上并联小容量瓷片电容使用。

大容量电容一般为电解电容，其体积较大，引脚较长，经常为卷绕式结构（钽电容为烧结的碳粉和二氧化锰） 。这些电容的等效串联电感较大，导致这些电容的高频特性较差，谐振频率大约在几百 KHz到几 MHz 之间（参见 Sanyo 公司 OSCON 器件手册和 AVX 公司钽电容器件手册） 。小容量的陶瓷贴片电容具有低的 ESL 和良好的频率特性，其谐振点一般能够到达数十至数百 MHz（参见参考文献《High-speed Digital Design》以及 AVX 等公司陶瓷电容器件手册） ，可以用于给高频信号提供低阻抗的回流路径，滤除信号上的高频干扰成分。因此，在应用大容量电容（电解电容）时，应在电容上并联小容量瓷片电容使用。

 尖峰电流的抑制方法：

1、在电路板布线上采取措施，使信号线的杂散电容降到最小；

2、 另一种方法是设法降低供电电源的内阻，使尖峰电流不至于引起过大的电源电压波动；

3、 通常的作法是使用去耦电容来滤波，一般是在电路板的电源入口处放

一个1uF～10uF的去耦电容，滤除低频噪声；在电路板内的每一个有源器件的电源和地之间放置一个0.01uF～0.1uF的去耦电容（高频滤波电容），用于滤除高频噪声。滤波的目的是要滤除叠加在电源上的交流干扰，但并不是使用的电容容量越大越好，因为实际的电容并不是理想电容，不具备理想电容的所有特性。

去耦电容的选取可按C=1/F计算，其中F为电路频率，即10MHz取0.1uF，100MHz取0.01uF。一般取0.1~0.01uF均可。

放置在有源器件傍的高频滤波电容的作用有两个，其一是滤除沿电源传导过来的高频干扰，其二是及时补充器件高速工作时所需的尖峰电流。所以电容的放置位置是需要考虑的。

实际的电容由于存在寄生参数，可等效为串联在电容上的电阻和电感，将其称为等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。这样，实际的电容就是一个串联谐振电路，其谐振频率为：

实际的电容在低于Fr的频率呈现容性，而在高于Fr的频率上则呈现感性，所以电容更象是一个带阻滤波器。

10uF的电解电容由于其ESL较大，Fr小于1MHz，对于50Hz这样的低频噪声有较好的滤波效果，对上百兆的高频开关噪声则没有什么作用。

电容的ESR和ESL是由电容的结构和所用的介质决定的，而不是电容量。通过使用更大容量的电容并不能提高抑制高频干扰的能力，同类型的电容，在低于Fr的频率下，大容量的比小容量的阻抗小，但如果频率高于Fr，ESL决定了两者的阻抗不会有什么区别。

电路板上使用过多的大容量电容对于滤除高频干扰并没有什么帮助，特别是使用高频开关电源供电时。另一个问题是，大容量电容过多，增加了上电及热插拔电路板时对电源的冲击，容易引起如电源电压下跌、电路板接插件打火、电路板内电压上升慢等问题。

1.电感和磁珠的对比

电感和磁珠在外形和功能上有很多相似之处，而且在很多场合，磁珠和电感能相互替代，但是两者并不能完全等同。

两者的区别：

（1）电感和磁珠虽然都可以滤波，但是机理是不一样的。电感滤波是将电能转换为磁能，磁能通过两种方式影响电路：一种方式是重新换回电能，表现为噪声；一种方式是向外辐射，表现为EMI（Electro-Magnetic Interference）电磁干扰。而磁珠是讲电能转换为热能，不会对电路产生二次干扰。

（2）电感在低频段滤波性能较好，但是在50MHz以上的滤波性能较差；磁珠利用其电阻能充分地吸收高频噪声，并将之转换为热能以达到彻底消除高频噪声的目的。

（3）从EMC（Electro Magnetic Compatibility）电磁兼容的层面说，由于磁珠能将高频噪声转换为热能，因此具有非常好的抗辐射功能，是常用的抗EMI器件，常应用于用户接口信号线滤波、单板上的高速时钟器件的电源滤波等。

（4）电感和电容构成低通滤波器时，由于电感和电容都是储能器件，因此两者的配合可能产生自激；磁珠是耗能器件，与电容协同工作时，不会产生自激。

（5）电源用电感的额定电流相对较大，因此，电感常用于需要大电流的   电源电路上，如用于电源模块滤波；而磁珠

一般常用于芯片级电源滤波

升压电路

1、  升压电源（BOOST）使用必须增加一个保险管以防止负载短路时，电源直通而导致整个单板工作掉电。保险的大小由模块的最大输出电流或者负载最大电流而定

PCB设计

1、  电源模快/ 芯片感应端在布局时应采用开尔文方式

很多电源模块和电源芯片在设计时，采用了独立的 Sense 管脚，作为对输出电压的反馈输入。这个Sense 信号应该从取用电源的位置引给电源模块，而不应该在电源模块输出端直接引给电源模块，这样可以通过电源模块内部的反馈补偿掉从电源模块输出传输到实际使用电源处路径带来的衰减。 如下图中

白色走线所示。

对于电源监控电路等，也应该遵守相同的原理，即从实际需要监控点将电源引给监控电路，而不是从监控电路最近处引给监控电路，以确保精确性。

2、Buck电源PCB设计要点

1、输入电容，输出电容尽量共地；

2、输出电流过孔数量保证通流能力足够，电流为设定的过流值；

3、如果输出电流大于20A，最好区分控制电路AGND和功率地GND，两者单点接地,如果不做区分，保证AGND接地良好；

4、输入电容靠近上管的D极放置；

5、Phase管脚因为其强电流，高电压的特性，辐射大，需做以下处理

a：Phase相连接的上管的S极，下管的D极和电感一端打平面处理，且不打过孔，即尽量保证3者和电源芯片在同一个平面上，且最好放置在top面；

b：Phase平面保证足够的通流能力的前提下，尽量减小面积；

c：关键信号远离该Phase平面；

d：小电流的Phase网络直接拉线处理，禁止拉平面；

6、输入电容的GND，电源输入因为噪声大，敏感信号需远离该平面，遵循3W原则，禁止高速信号在上述地平面打的过孔中间走线，尤其关注背板的高速信号；

7、GATE,BOOT电容走线尽量粗，一般为15mil~40mil；

8、电压采样因为电流小，容易受干扰，如果为近端反馈尽量靠近电源芯片，如果为远端反馈，需走差分线，且远离干扰源；

9、DCR电流采样网络，需要差分走线，整个采样网络尽量紧凑，且需靠近电源芯片放置，温度补偿电阻靠近电感放置；

10、环路补偿电路尽量面积小，减小环路，靠近电源芯片放置；

11、电感下禁止打孔，一方面防止有些电感为金属表层，出现短路；一方面因为电感的辐射大，如果下面打孔，噪声会耦合；

12、MOS管下需打过孔进行散热，过孔数量按照输出最大电流计算，非过流值；

13、电源芯片底部打过孔到背面进行散热处理，覆铜越大散热越好，最好部分亮铜处理；

LDO必须计算热耗并满足降额规范