電子系統的電源電路設計

《電子系統的電源電路設計》是2014年電子工業出版社出版的圖書，作者是黃智偉。

基本介紹

• 書名：電子系統的電源電路設計
• 作者：黃智偉
• 出版社：電子工業出版社
• ISBN：9787121229527

內容簡介

電源電路是電子系統的重要組成部分。本書從工程設計要求出發，圖文並茂地介紹了模擬電路的電源電路、RF（射頻）系統的電源電路、ADC和DAC的電源電路、高速數字電路（FPGA）的電源電路、無線電源電路、開關穩壓器電源電路、基準電壓源/電流源等電源電路設計和製作中的一些方法和技巧，以及應該注意的問題，具有很好的工程性和實用性。

圖書目錄

第1章 模擬電路的電路電源設計 1

1.1 與電源有關的放大器參數 1

1.1.1 電源電壓和電流（VDD、VSS和IDD、IQ） 1

1.1.2 電源抑制比（PSRR） 1

1.1.3 電源抑制比參數kSVR 3

1.1.4 絕對最大值 4

1.1.5 推薦的工作條件 5

1.1.6 電特性 5

1.1.7 輸入電壓範圍 7

1.1.8 共模抑制比（CMRR） 8

1.2 LDO線性穩壓器電源電路 11

1.2.1 LDO線性穩壓器與DC-DC轉換器的差異 11

1.2.2 模數混合系統的放大器電源電路結構 13

1.2.3 LDO線性穩壓器簡介 16

1.2.4 選擇LDO線性穩壓器的基本原則 18

1.2.5 LDO線性穩壓器的參數 20

1.2.6 LDO線性穩壓器的噪聲分析 27

1.2.7 LDO線性穩壓器的PSRR 41

1.2.8 LDO線性穩壓器電容選型 48

1.2.9 線性穩壓器輸出電壓公差分析 57

1.3 線性穩壓器電路設計實例 61

1.3.1 可供選擇的系列LDO線性穩壓器產品 61

1.3.2 ±15V輸出的低噪聲線性穩壓器電路 62

1.3.3 500mA 超低噪聲、高PSRR射頻LDO線性穩壓器電路 64

1.3.4 200mA 超低噪聲、高PSRR射頻LDO線性穩壓器電路 65

1.3.5 36V/1A/4.17V（RMS值）射頻LDO線性穩壓器電路 66

1.3.6 2A輸出電流RMS值6V噪聲RF LDO線性穩壓器 68

1.3.7 -36V 1A超低噪聲負電壓線性穩壓器電路 71

1.3.8 -20V 200mA低噪聲負電壓線性穩壓器電路 72

1.3.9 低噪聲快速瞬態回響1.5A LDO線性穩壓器電路 72

1.3.10 24V輸入、50mA輸出SC70封裝LDO線性穩壓器電路 74

1.3.11 500nA超低靜態電流150mA LDO線性穩壓器電路 75

1.3.12 1.25～125V可調輸出電壓700mA輸出電流線性穩壓器電路 76

1.3.13 40V高壓超低靜態電流LDO線性穩壓器電路 78

1.3.14 500mA低壓降CMOS線性穩壓器電路 78

1.3.15 3A輸出電流、快速回響、高精確度的LDO線性穩壓器 79

1.3.16 具有反向電流保護功能的1%高準確度1A LDO線性穩壓器電路 80

1.3.17 無輸出電容器150mA LDO線性穩壓器電路 81

1.3.18 極低輸入極低壓差2A LDO線性穩壓器電路 82

第2章 RF（射頻）系統的電源電路設計 84

2.1 RF系統的電源要求 84

2.1.1 RF系統的電源管理 84

2.1.2 RF系統的電源噪聲控制 87

2.1.3 手持設備射頻功率放大器（RFPA）的供電電路 92

2.2 RFPA電源電路設計 96

2.2.1 基帶和RFPA電源管理單元（PMU） 96

2.2.2 用於RFPA的可調節降壓DC-DC轉換器 98

2.2.3 具有MIPI＆reg; RFFE接口的RFPA降壓DC-DC轉換器 107

2.2.4 用於3G和4G的RFPA降壓-升壓轉換電路 117

2.2.5 具有MIPI＆reg; RFFE接口的3G/4G RFPA降壓-升壓轉換器 121

2.2.6 300mA 3.6V RFPA電源電路 124

第3章 ADC和DAC的電源電路設計 126

3.1 ADC和DAC電源電路的結構形式 126

3.1.1 開關穩壓器＋低噪聲LDO線性穩壓器形式 126

3.1.2 利用開關穩壓器為ADC供電 127

3.2 ADC和DAC電壓基準的選擇 135

3.2.1 電壓基準對ADC和DAC的影響 135

3.2.2 選擇電壓基準源需要注意的一些問題 136

3.2.3 可供選擇的電壓基準晶片 138

3.3 ADC和DAC電壓基準電路設計實例 139

3.3.1 10位ADC基準電壓電路 139

3.3.2 12位ADC基準電壓電路實例1 139

3.3.3 12位ADC的電壓基準電路實例2 140

3.3.4 16位ADC基準電壓電路 140

3.3.5 18位ADC基準電壓電路 141

3.3.6 精密DAC電壓基準 141

3.4 通過調節電壓基準來增加ADC的精度和解析度 142

3.4.1 採用多路開關調節電壓基準的測量電路 142

3.4.2 基準電壓對ADC精度和解析度的影響 143

3.5 影響ADC的其他因素 144

3.5.1 ADC的選擇 144

3.5.2 系統精度和解析度 145

3.6 模數混合電路PCB的分區與分割 146

3.6.1 PCB按功能分區 146

3.6.2 分割的隔離與互連 149

3.7 模數混合電路的接地和電源PCB設計 151

3.7.1 模擬地（AGND）和數字地（DGND） 151

3.7.2 設計理想的接地和電源參考面 158

3.7.3 模擬地和數字地分割 159

3.7.4 採用“統一地平面”形式 160

3.7.5 數字和模擬電源平面的分割 161

3.7.6 最小化電源線和地線的環路面積 162

3.8 模數混合系統的電源和接地布局示例 164

3.8.1 溫度測量系統的電源和接地布局示例 164

3.8.2 ADC ADC774的電源和接地布局示例 166

3.8.3 最佳化16位SAR ADC性能的PCB布局示例 168

3.8.4 24位Δ-Σ ADC的電源和接地布局示例 173

第4章 高速數字電路的電源電路設計 177

4.1 PDN與SI、PI和EMI 177

4.1.1 PDN是SI、PI和EMI的公共互連基礎 177

4.1.2 優良的PDN設計是SI、PI和EMI的基本保證 177

4.2 FPGA PDN的模型 178

4.2.1 PDN的拓撲結構 178

4.2.2 FPGA PDN的通用模型 179

4.2.3 簡化的FPGA PDN模型 181

4.3 VRM（電壓調整模組） 181

4.3.1 FPGA的供電要求 181

4.3.2 DC-DC轉換電路 182

4.3.3 負載點（POL）DC-DC轉換器 186

4.3.4 線性穩壓器 188

4.3.5 線性穩壓和DC-DC的混合IC電路 190

4.4 去耦電容器 193

4.4.1 不同位置的去耦電容器 193

4.4.2 電容器的阻抗頻率特性 193

4.4.3 電容器的衰減頻率特性 195

4.4.4 電容器的ESR和ESL特性 196

4.4.5 電容器的有效頻率 197

4.4.6 去耦電容器的安裝位置 198

4.4.7 電容器的並聯和反諧振 201

4.5 電流通道上的PCB電感 203

4.5.1 PCB導線的電感 203

4.5.2 PCB的過孔電感 205

4.5.3 PCB導線的互感 206

4.5.4 PCB電源和接地平面電感 207

4.6 IC封裝的電感 207

4.7 貼裝電感 210

4.7.1 電容器貼裝電感 210

4.7.2 FPGA貼裝電感 211

4.8 PCB電源/地平面 211

4.8.1 PCB電源/地平面的功能 211

4.8.2 PCB電源/地平面設計的一般原則 212

4.8.3 PCB電源/地平面疊層和層序 214

4.8.4 PCB電源/地平面的負作用 216

4.9 同時開關噪聲（SSN）的控制 217

4.9.1 SSN的成因 217

4.9.2 降低SSN的一些常用措施 218

4.9.3 利用EBG結構抑制SSN噪聲 219

4.10 基於目標阻抗的PDN設計 221

4.10.1 目標阻抗的定義 221

4.10.2 基於目標阻抗的PDN設計方法 223

4.10.3 利用目標阻抗計算去耦電容器的電容量 225

4.11 基於功率傳輸的PDN設計方法 226

4.11.1 穩壓電源電路的反應時間 226

4.11.2 去耦電容的去耦時間 227

4.11.3 電源系統的輸出阻抗 228

4.11.4 利用電源驅動的負載計算電容量 229

4.12 平面PDN的一維分布模型 229

4.12.1 去耦網路的瞬態回響 229

4.12.2 去耦網路的穩態回響 230

4.12.3 功率傳輸延遲的估算 230

4.13 FPGA PDN設計和驗證 232

4.13.1 確定FPGA的參數 232

4.13.2 去耦網路設計 234

4.13.3 模擬 236

4.13.4 性能測量 237

4.13.5 最佳化去耦網路設計 239

4.13.6 存在問題的分析和改進 240

4.14 設計實例：VirtexTM-5 FPGA的PDN設計 241

4.14.1 VirtexTM-5 FPGA的VRM 241

4.14.2 必需的PCB去耦電容器 242

4.14.3 替代電容器 243

4.14.4 PCB設計檢查項目 245

4.14.5 VirtexTM-5的PCB布局示例 251

4.15 仿真工具 252

4.15.1 常用的一些PDN設計和仿真EDA工具 252

4.15.2 Altera PDN設計工具 253

4.15.3 TI公司的FPGA電源管理解決方案和設計工具 258

4.16 FPGA電源電路設計實例 263

4.16.1 Xilinx＆reg; Virtex-5TM FPGA的電源解決方案 263

4.16.2 Xilinx＆reg; VirtexTM-6 FPGA的微型電源解決方案 266

4.16.3 Xilinx＆reg; VirtexTM-6和SpartanTM-6 FPGA的電源解決方案 270

4.16.4 Xilinx＆reg;的SpartanTM-3、VirtexTM-II、Virtex-II ProTM的電源管理解決方案 273

4.16.5 Altera＆reg; Cyclone＆reg; FPGA電源電路 274

4.16.6 Altera＆reg;Arria II GX FPGA開發板電源電路 277

4.17 多電源系統的監控和時序控制 289

4.17.1 電源時序控制和跟蹤類型 289

4.17.2 多電源系統的監控和時序控制設計實例 290

4.17.3 模擬電壓和電流監控 291

4.17.4 時序控制和監控的結合 292

4.17.5 電源餘量微調 292

4.17.6 開關調節器的同步 294

4.18 利用鐵氧體磁珠為FPGA設計電源隔離濾波器 295

4.18.1 鐵氧體磁珠的選擇 295

4.18.2 鐵氧體磁珠建模與仿真 296

4.18.3 Stratix IV GX設計實例 297

4.18.4 反諧振 298

4.18.5 LC諧振振盪 300

4.18.6 傳輸阻抗 300

4.18.7 直流電流和IR壓降考慮因素 301

4.18.8 PCB結構 302

4.18.9 設計建議 305

第5章 無線電源電路設計 306

5.1 無線電源技術簡介 306

5.1.1 無線電源技術的套用 306

5.1.2 無線電源技術方案簡介 307

5.2 無線電源聯盟（WPC，Wireless Power Consortium） 308

5.2.1 無線電源聯盟簡介 308

5.2.2 WPC標準定義的無線電源系統結構 310

5.2.3 WPC 5.1.2版本所定義的無線電源發射器類型 311

5.3 A型無線電源發射器設計實例：A1型無線電源發射器設計 312

5.3.1 A1型無線電源發射器的結構形式 312

5.3.2 一次線圈 312

5.3.3 禁止 313

5.3.4 基站的接口表面 314

5.3.5 對準 314

5.3.6 多個線圈的間隔距離 314

5.3.7 A1型無線電源發射器的等效電路 314

5.3.8 A1型無線電源發射器的功率傳輸控制 315

5.3.9 A2～A18型無線電源發射器設計 316

5.4 B型無線電源發射器設計實例：B1型無線電源發射器設計 316

5.4.1 B1型無線電源發射器的結構形式 316

5.4.2 一次線圈陣列 316

5.4.3 禁止 317

5.4.4 基站的接口表面 318

5.4.5 B1型無線電源發射器的等效電路 318

5.4.6 B1型無線電源發射器的功率傳輸控制 319

5.4.7 可擴展性 319

5.4.8 B2～B5型無線電源發射器設計 320

5.5 無線電源接收器設計 320

5.5.1 無線電源接收器的結構 320

5.5.2 二次線圈的安裝 321

5.5.3 雙諧振電路 321

5.5.4 諧振頻率特性 322

5.5.5 大信號二次諧振測試 322

5.5.6 功率傳輸控制 323

5.6 無線電源接收器設計實例1 323

5.6.1 無線電源接收器設計實例1電路 323

5.6.2 二次線圈的結構和尺寸 324

5.6.3 二次線圈禁止 325

5.7 無線電源接收器設計實例2 325

5.7.1 無線電源接收器設計實例2電路 325

5.7.2 二次線圈的結構和尺寸 326

5.7.3 二次線圈禁止 326

5.8 無線電源解決方案 327

5.9 發射器端的解決方案 328

5.9.1 TI公司可提供的發射器端控制器 328

5.9.2 自由定位符合Qi標準的無線電源發射器控制器bq500410A和評估模組 328

5.9.3 5V WPC 1.1兼容的無線電源發射器控制器bq500211A和評估模組 330

5.9.4 符合Qi標準的無線電源發射器控制器bq500210和評估模組 332

5.9.5 bqTESLA發射器線圈供應商的信息 334

5.10 接收器端的解決方案 335

5.10.1 TI公司可提供的符合Qi標準的接收器 335

5.10.2 bq51011/bq51013無線電源接收器和評估模組 336

5.10.3 bq51050B/bq51051B高效Qi v1.1兼容無線電源接收器和電池充電器 338

5.10.4 無線電源接收器用通信和電力監控IC 341

5.11 符合Qi標準的無線電源接收器線圈設計 341

5.11.1 傳統變壓器的結構和模型 342

5.11.2 Qi標準系統的變壓器模型 343

5.11.3 無線電源接收器（Rx）線圈的電氣要求 343

5.11.4 無線電源接收器（Rx）線圈設計的步驟 344

5.11.5 禁止材料 344

5.11.6 Rx線圈線材規範 345

5.11.7 線圈匝數 345

5.11.8 Rx線圈電感測量 346

5.11.9 Rx線圈調諧 347

5.11.10 Rx線圈的負載線分析 348

5.12 Vishay公司的無線充電接收線圈 350

第6章 開關穩壓器電源電路設計 351

6.1 降壓型（BUCK）DC-DC開關穩壓器 351

6.1.1 降壓型DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 351

6.1.2 步降型（降壓型）易電源電源模組和轉換器 351

6.1.3 步降型（降壓型）易電源納米模組和轉換器 359

6.1.4 步降型（降壓型）MicroSiPTM電源模組電路設計實例 362

6.1.5 步降型（降壓型）SWIFTTM電源模組和轉換器 363

6.1.6 步降型（降壓型）POL（負載點）電源模組 369

6.1.7 同步降壓NexFETTM電源模組和功率級 372

6.2 升壓型（BOOST）DC-DC開關穩壓器 377

6.2.1 升壓型DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 377

6.2.2 MicroSiPTM升壓型電源模組 377

6.2.3 DC-DC步升型（升壓型）轉換器 377

6.2.4 易電源步升型（升壓型）納米穩壓器 379

6.3 降壓-升壓型（BUCK BOOST）DC-DC開關穩壓器 384

6.3.1 降壓-升壓型DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 384

6.3.2 降壓-升壓型轉換器套用電路實例 385

6.4 SEPIC DC-DC開關穩壓器 387

6.4.1 SEPIC DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 387

6.4.2 SEPIC轉換器套用電路實例 387

6.5 反激式（FLYBACK）DC-DC開關穩壓器 390

6.5.1 反激式DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 390

6.5.2 反激式穩壓器套用電路實例 391

6.6 正激式（FORWARD）DC-DC開關穩壓器 396

6.6.1 正激式DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 396

6.6.2 正激式穩壓器套用電路實例 396

6.7 雙開關正激式（2 SWITCH FORWARD）DC-DC開關穩壓器 398

6.7.1 雙開關正激式DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 398

6.7.2 雙開關正激式穩壓器套用電路實例 398

6.8 有源鉗位正激式（ACTIVE CLAMP FORWARD）DC-DC開關穩壓器 403

6.8.1 有源鉗位正激式DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 403

6.8.2 有源鉗位正激式轉換器套用電路實例 403

6.9 半橋式（HALF BRIDGE）DC-DC開關穩壓器 407

6.9.1 半橋式DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 407

6.9.2 半橋式轉換器套用電路實例 407

6.10 推挽式（PUSH PULL）DC-DC開關穩壓器 408

6.10.1 推挽式DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 408

6.10.2 推挽式轉換器套用電路實例 409

6.11 全橋式（FULL BRIDGE）DC-DC開關穩壓器 410

6.11.1 全橋式DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 410

6.11.2 全橋式轉換器套用電路實例 410

6.12 相移（PHASE SHIFT）ZVT DC-DC開關穩壓器 411

6.12.1 相移ZVT DC-DC開關穩壓器電源拓撲結構 411

6.12.2 相移ZVT轉換器套用電路實例 411

6.13 數字電源電路設計 417

6.13.1 數字電源控制解決方案簡介 417

6.13.2 非隔離式的UCD92xx系列降壓型控制器 418

6.13.3 隔離式的UCD3xxx系列PWM數字電源控制器 420

6.13.4 UCD7xxx數字互補功率級 423

6.13.5 PTD08A/Dxxxx系列模組 424

6.14 開關電源的交流電源線的降噪處理 425

6.14.1 交流電源線上存在差模噪聲與共模噪聲 425

6.14.2 交流電源線降噪處理用的共模扼流線圈 427

6.14.3 交流電源線降噪處理用的混合扼流線圈 429

6.14.4 開關電源的交流電源線降噪處理措施 431

第7章 基準電壓源/電流源電路設計 432

7.1 電壓基準的選擇 432

7.1.1 選擇電壓基準源的一些考慮 432

7.1.2 齊納基準源 432

7.1.3 帶隙基準源 433

7.1.4 XFET基準源 434

7.1.5 串聯型電壓基準 435

7.1.6 並聯型電壓基準 436

7.1.7 串聯型或並聯型電壓基準的選擇 437

7.2 並聯型電壓基準套用電路實例 439

7.2.1 可選擇的並聯電壓基準晶片 439

7.2.2 並聯穩壓器電路 440

7.2.3 擴展輸出電流的並聯穩壓器電路 440

7.2.4 擴展輸出電流的串聯穩壓器電路 441

7.2.5 吸入式恆流源電路 441

7.2.6 以接地為參考的電流源電路 442

7.2.7 低溫度係數的端電流源電路 442

7.2.8 0～100℃線性輸出溫度計電路 443

7.2.9 熱電偶冷端補償電路 443

7.3 串聯型電壓基準套用電路實例 444

7.3.1 可供選擇的串聯電壓基準晶片 444

7.3.2 輸出±2.5V電壓的基準電壓電路 445

7.3.3 輸出±5V電壓的基準電壓電路 445

7.3.4 輸出負電壓的基準電壓電路 446

7.3.5 可程式電流源電路 446

7.3.6 350應變計橋路電源電路 447

7.4 電流源套用電路實例 447

7.4.1 可供選擇的電流源晶片 447

7.4.2 基本電流源電路 448

7.4.3 零溫度係數電流源 449

7.4.4 擴展電流輸出的電流源電路 450

7.4.5 低電壓的電壓基準電路 451

7.4.6 華氏溫度計 451

7.4.7 開氏溫度計 451

7.4.8 斜坡發生器電路 452

7.4.9 精密三角波和方波發生器電路 452

7.4.10 死區電路 453

7.4.11 雙向限幅電路 454

7.4.12 視窗比較器電路 454

參考文獻 456