常用电子电路设计课件

馬 駿 2014.71常用电子电路设计馬 駿 11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2目录常用电源设计2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常用单片机系统电源分类线性电源3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：PMOS4线性稳压器基本工作原理原理框图调整管Q：4线性电源应用单一电压输出固定输出模式固定输出模式可调整输出模式可调整输出模式5线性电源应用单一电压输出固定输出模式可调整输出模式5线性电源应用双电源输出单一稳压源模式单一稳压源模式双稳压源模式双稳压源模式6线性电源应用双电源输出单一稳压源模式双稳压源模式6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7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 Iq8线性稳压源器件选择器件选择的注意点8PCB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9PCB布板要求输入与输出隔离 Good,不足9PCB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10PCB布板要求散热：P=(Vin Vout)*直流开关电源升压型(Boost)DC-DC基本原理K1K2ABK1K2AB11直流开关电源升压型(Boost)DC-DC基本原理K1K2ADC-DC Boost实例TI LMR6201412DC-DC Boost实例TI LMR6201412Boost DC-DC典型应用电路开关MOS管：IC内置L1：储能电感(Power choke)D1：(即K2)防止反向C2：储能电容13Boost DC-DC典型应用电路13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14降压型(Step down/Buck)DC-DC降压型DC-Buck典型应用电路及效率图15Buck典型应用电路及效率图15DC-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，锗管正向平均电流反向恢复时间(Trr)：远低于开关振荡周期16DC-DC元件选型DC-DC IC：16DC-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17DC-DC元件选型储能电感：17PCB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18PCB设计PCB设计：18实例19实例19PCB设计20PCB设计20电荷泵(Charge Pump)Cycle1:Cx充电，V(Cx)=VinCycle2:输出，Vout=Vin+V(Cx)=2Vin电荷泵基本工作原理21电荷泵(Charge Pump)Cycle1:Cx充电，V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+=030通用运算放大电路通用运放电路特性：30反相/同相放大电路31反相/同相放大电路31反相比例放大电路加法器加法器减法器减法器(R1=R4,R2=R3)差分放大电路混音电路32反相比例放大电路加法器减法器(R1=R4,R2=R3)差分放同相比例放大电路33同相比例放大电路33差分放大电路传递函数推算过程34差分放大电路传递函数推算过程34低通滤波器反相同相35低通滤波器反相同相35高通滤波器36高通滤波器36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-Rail37运放的选择使用范围37运放的选择频率特性(Onsemi LM324)38运放的选择频率特性(Onsemi LM324)38运放的选择其他指标39运放的选择其他指标39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40运放电路的设计电路：40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41开关驱动电路用单片机输出的小信号来控制大功率器件41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42开关驱动电路设计供电：42开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43开关驱动电路设计二极管：43举例充气泵：三极管：44举例充气泵：44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=1.8VIr(min)=410/100=4.1mAR=1.8/4.1=439(可用430 ，推荐390)最大功率：(3.3-0.83)2/390=0.0156W390,5%/0603/0.1W45举例MCU：45附 录46附 录46电阻47电阻47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:122MDIP:110G101M122M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W48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电阻特性比较贴片式49电阻特性比较贴片式49电阻特性比较引线式50电阻特性比较引线式50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%51电阻的选型精度要求51无极性电容：MLCC贴片MLCC类型：C0G(NPO)C0G(NPO)X7RX7RY5VY5V介质特性稀有金属(铷，钐等)氧化物电气性能稳定的二类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52无极性电容：MLCC贴片MLCC类型：C0G(NPO)X7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。53有极性电容：铝电解铝电解电容：53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54有极性电容：钽电解钽电容：54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55常用电感引线式式电感：55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56常用电感贴片式电感：56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57电感的主要参数感量：L57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58电感的选型尺寸要求：对于便携式产品尤为重要585959