《FPGA全程进阶---实战演练》第二十一章 电源常用类型：LDO和 DCDC

高速电路中的电源设计

  高速电路中的电源设计大概分为两种，一种是集总式架构，一种是分布式架构。集总式架构就是由一个电源输入，然后生成多种所需要的电压。如图1所示。这种架构会增加多个DC/DC模块，这样成本不可控，PCB面积也需要增加，但集总式分布架构可以提高整体电源转换效率。

图1 集总分布架构

  分布式架构是先由一个模块生成一个中间电压，然后再去转换成其他单板所需要的电压，如图2所示。第一级输出可以要求有较大的噪声和纹波，第二级电源输出所需要的各种电源，这时必须考虑纹波和噪声问题。但分布式也有一个问题就是涉及多级转换，可能效率上不如集总式分布架构。

  高速电路设计中，建议采用分布式架构。

图2 分布式架构

LDO电源类型

  图3是LDO内部结构图。Vout由R1和R2两个电阻进行捕获，然后送往运算放大器A，在V+的电压值与VREF进行比较，差值经过运算放大器放大然后送给晶体管或MOSFET，以实现对Vout的调整，基本上是基于反馈原理，Vin的变化和负载的变化都会对Vout有影响。

  LDO电源芯片需要注意的一点就是压差（Dropout），负载电流若是需要越大，其压差应该也越大。

  LDO电源芯片还有一个问题就是功耗过大，P = （Vin - Vout）*I，在设计PCB是最好在LDO底部打些过孔，以增加散热。

  LDO芯片还应注意一点是接地电流（GND Pin Current）IGND这指的是静态电流，是LDO内部所消耗的电流。

  在计算LDO功耗时，P应包括静态功耗和动态功耗，动态功耗PD = （Vin - Vout）*I，静态功耗PS = Vin *IGND(此电流是内部消耗的电流)

图3 LDO内部结构图

  在设计电源时，应将电源摆放在一个区域内，对于多层板，其相邻层最好也不要走高速信号线，避免对于LDO芯片的芯片。

  LDO电源芯片的滤波建议采用ESR较大的钽电容加ESR较小的陶瓷电容搭配或者单独用ESR较小的陶瓷电容去滤除噪声。不建议用铝电解去代替钽电容，因为铝电解电容的ESR过大，这样会超过LDO对ESR的最大值要求。

DCDC电源类型

  DC/DC电源的调制方式有PWM（脉冲宽度调制），PFM（脉冲频率调制），以及PWM和PFM混合。目前市场上面是基于PWM居多。

  已降压为目的的DCDC电路称为 BUCK电路，以升压为目的的电路称为BOOST电路，而以反相为目的的DCDC电路称为BUCK-BOOST电路。

DCDC电源纹波噪声

  在高端芯片往往对电源的纹波和噪声有一定的要求，纹波一般控制在电源电压的1%之内，噪声控制在电源电压的3%~5%之内。DCDC的纹波和噪声始终是电路设计的难题。

  纹波是电源波动成分中的低频成分，一般频率在5MHz之内的频段，产生自MOSFET的开关动作。

  噪声指电源波动中的高频成分，一般频率高于5MHz，MOSFET的开关噪声，随机白噪声，以及周围的干扰等。

  纹波和噪声的处理方法有两种方式：1）吸收式滤波器，由磁珠与电容的组合电路构成；2）反射式滤波器，由π，T，LC构成的滤波电路，反射式没有从根本上去除噪声，而是将噪声返回给源端。如下图4所示。

图4 LC滤波电路

DCDC电源输出

  1）有时候电感会产生啸叫，这可能是通过电感的电流太大导致，改进办法，输入增加上电缓起电路，输出减少电感值。这个缓起电路可以利用RC进行构建。t = 2.2 RC。

  2）在DCDC电路中，不应简单关注输出电压部分，还应确保输入电压在上电过程不能太慢，也不能太快。

  3）在设计电源时要确定大的电流回路，在此回路上，噪声、纹波、电流都是最大的，需要注意，不能接入其他对上述三者影响较大的信号引脚。

保险丝

  1）额定电流是保险管正常工作所能承受的最大电流。保险管选型时不能选的太大，也不能选的太小，太大对电路无保护作用，太小对电路正常工作有影响。保险丝在使用时应该对额定电流降额到75%使用。在选择保险丝的额定电流时，应该先计算整个系统中所需要的最大电流IMAX（满负载荷时），确定之后，选取保险丝的额定电流为 IMAX /75%使用。

  2）直流电阻 P = I2 R,如果功耗过大，要考虑散热问题。

  3）额定电压是指保险丝熔断时所能承受的最大电压，一般应大于整个系统输入电压。根据UL标准，在选择保险丝的额定电压时，应该降额80%，即若系统正常工作电压为U，则保险丝的额定电压最少要为U / 80%；

  4）压降，若芯片要求的电压为U，保险丝的压降为△U，那么电源的输入电压应为U + △U才能满足要去。

  5）热能值 I2t指保险丝熔断时所需要的热能。