電子系統(tǒng)的電源電路設計

第1章 模擬電路的電路電源設計 1
1．1 與電源有關(guān)的放大器參數(shù) 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(shù)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 輸入電壓范圍 7
1．1．8 共模抑制比（CMRR） 8
1．2 LDO線性穩(wěn)壓器電源電路 11
1．2．1 LDO線性穩(wěn)壓器與DC-DC轉(zhuǎn)換器的差異 11
1．2．2 模數(shù)混合系統(tǒng)的放大器電源電路結(jié)構(gòu) 13
1．2．3 LDO線性穩(wěn)壓器簡介 16
1．2．4 選擇LDO線性穩(wěn)壓器的基本原則 18
1．2．5 LDO線性穩(wěn)壓器的參數(shù) 20
1．2．6 LDO線性穩(wěn)壓器的噪聲分析 27
1．2．7 LDO線性穩(wěn)壓器的PSRR 41
1．2．8 LDO線性穩(wěn)壓器電容選型 48
1．2．9 線性穩(wěn)壓器輸出電壓公差分析 57
1．3 線性穩(wěn)壓器電路設計實例 61
1．3．1 可供選擇的系列LDO線性穩(wěn)壓器產(chǎn)品 61
1．3．2 ±15V輸出的低噪聲線性穩(wěn)壓器電路 62
1．3．3 500mA 超低噪聲、高PSRR射頻LDO線性穩(wěn)壓器電路 64
1．3．4 200mA 超低噪聲、高PSRR射頻LDO線性穩(wěn)壓器電路 65
1．3．5 36V/1A/4．17V（RMS值）射頻LDO線性穩(wěn)壓器電路 66
1．3．6 2A輸出電流RMS值6V噪聲RF LDO線性穩(wěn)壓器 68
1．3．7 -36V 1A超低噪聲負電壓線性穩(wěn)壓器電路 71
1．3．8 -20V 200mA低噪聲負電壓線性穩(wěn)壓器電路 72
1．3．9 低噪聲快速瞬態(tài)響應1．5A LDO線性穩(wěn)壓器電路 72
1．3．10 24V輸入、50mA輸出SC70封裝LDO線性穩(wěn)壓器電路 74
1．3．11 500nA超低靜態(tài)電流150mA LDO線性穩(wěn)壓器電路 75
1．3．12 1．25～125V可調(diào)輸出電壓700mA輸出電流線性穩(wěn)壓器電路 76
1．3．13 40V高壓超低靜態(tài)電流LDO線性穩(wěn)壓器電路 78
1．3．14 500mA低壓降CMOS線性穩(wěn)壓器電路 78
1．3．15 3A輸出電流、快速響應、高精確度的LDO線性穩(wěn)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(wěn)壓器電路 80
1．3．17 無輸出電容器150mA LDO線性穩(wěn)壓器電路 81
1．3．18 極低輸入極低壓差2A LDO線性穩(wěn)壓器電路 82
第2章 RF（射頻）系統(tǒng)的電源電路設計 84
2．1 RF系統(tǒng)的電源要求 84
2．1．1 RF系統(tǒng)的電源管理 84
2．1．2 RF系統(tǒng)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 用于RFPA的可調(diào)節(jié)降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器 98
2．2．3 具有MIPI＆reg; RFFE接口的RFPA降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器 107
2．2．4 用于3G和4G的RFPA降壓-升壓轉(zhuǎn)換電路 117
2．2．5 具有MIPI＆reg; RFFE接口的3G/4G RFPA降壓-升壓轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式 126
3．1．1 開關(guān)穩(wěn)壓器＋低噪聲LDO線性穩(wěn)壓器形式 126
3．1．2 利用開關(guān)穩(wěn)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芯片 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(diào)節(jié)電壓基準來增加ADC的精度和分辨率 142
3．4．1 采用多路開關(guān)調(diào)節(jié)電壓基準的測量電路 142
3．4．2 基準電壓對ADC精度和分辨率的影響 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(tǒng)精度和分辨率 145
3．6 模數(shù)混合電路PCB的分區(qū)與分割 146
3．6．1 PCB按功能分區(qū) 146
3．6．2 分割的隔離與互連 149
3．7 模數(shù)混合電路的接地和電源PCB設計 151
3．7．1 模擬地（AGND）和數(shù)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(shù)字地分割 159
3．7．4 采用“統(tǒng)一地平面”形式 160
3．7．5 數(shù)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(huán)路面積 162
3．8 模數(shù)混合系統(tǒng)的電源和接地布局示例 164
3．8．1 溫度測量系統(tǒng)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 優(yōu)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(shù)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(chǔ) 177
4．1．2 優(yōu)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(jié)構(gòu) 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(diào)整模塊） 181
4．3．1 FPGA的供電要求 181
4．3．2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路 182
4．3．3 負載點（POL）DC-DC轉(zhuǎn)換器 186
4．3．4 線性穩(wěn)壓器 188
4．3．5 線性穩(wěn)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 電容器的并聯(lián)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(guān)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(jié)構(gòu)抑制SSN噪聲 219
4．10 基于目標阻抗的PDN設計 221
4．10．1 目標阻抗的定義 221
4．10．2 基于目標阻抗的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 基于功率傳輸?shù)腜DN設計方法 226
4．11．1 穩(wěn)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(tǒng)的輸出阻抗 228
4．11．4 利用電源驅(qū)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(wǎng)絡的瞬態(tài)響應 229
4．12．2 去耦網(wǎng)絡的穩(wěn)態(tài)響應 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(shù) 232
4．13．2 去耦網(wǎng)絡設計 234
4．13．3 模擬 236
4．13．4 性能測量 237
4．13．5 優(yōu)化去耦網(wǎng)絡設計 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(fā)板電源電路 277
4．17 多電源系統(tǒng)的監(jiān)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(tǒng)的監(jiān)控和時序控制設計實例 290
4．17．3 模擬電壓和電流監(jiān)控 291
4．17．4 時序控制和監(jiān)控的結(jié)合 292
4．17．5 電源余量微調(diào) 292
4．17．6 開關(guān)調(diào)節(jié)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諧振振蕩 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(jié)構(gòu) 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(shù)簡介 306
5．1．1 無線電源技術(shù)的應用 306
5．1．2 無線電源技術(shù)方案簡介 307
5．2 無線電源聯(lián)盟（WPC，Wireless Power Consortium） 308
5．2．1 無線電源聯(lián)盟簡介 308
5．2．2 WPC標準定義的無線電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 310
5．2．3 WPC 5．1．2版本所定義的無線電源發(fā)射器類型 311
5．3 A型無線電源發(fā)射器設計實例：A1型無線電源發(fā)射器設計 312
5．3．1 A1型無線電源發(fā)射器的結(jié)構(gòu)形式 312
5．3．2 一次線圈 312
5．3．3 屏蔽 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(fā)射器的等效電路 314
5．3．8 A1型無線電源發(fā)射器的功率傳輸控制 315
5．3．9 A2～A18型無線電源發(fā)射器設計 316
5．4 B型無線電源發(fā)射器設計實例：B1型無線電源發(fā)射器設計 316
5．4．1 B1型無線電源發(fā)射器的結(jié)構(gòu)形式 316
5．4．2 一次線圈陣列 316
5．4．3 屏蔽 317
5．4．4 基站的接口表面 318
5．4．5 B1型無線電源發(fā)射器的等效電路 318
5．4．6 B1型無線電源發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)和尺寸 324
5．6．3 二次線圈屏蔽 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(jié)構(gòu)和尺寸 326
5．7．3 二次線圈屏蔽 326
5．8 無線電源解決方案 327
5．9 發(fā)射器端的解決方案 328
5．9．1 TI公司可提供的發(fā)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(fā)射器控制器bq500410A和評估模塊 328
5．9．3 5V WPC 1．1兼容的無線電源發(fā)射器控制器bq500211A和評估模塊 330
5．9．4 符合Qi標準的無線電源發(fā)射器控制器bq500210和評估模塊 332
5．9．5 bqTESLA發(fā)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塊 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(jiān)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(tǒng)變壓器的結(jié)構(gòu)和模型 342
5．11．2 Qi標準系統(tǒng)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 屏蔽材料 344
5．11．6 Rx線圈線材規(guī)范 345
5．11．7 線圈匝數(shù) 345
5．11．8 Rx線圈電感測量 346
5．11．9 Rx線圈調(diào)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(guān)穩(wěn)壓器電源電路設計 351
6．1 降壓型（BUCK）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 351
6．1．1 降壓型DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 351
6．1．2 步降型（降壓型）易電源電源模塊和轉(zhuǎn)換器 351
6．1．3 步降型（降壓型）易電源納米模塊和轉(zhuǎn)換器 359
6．1．4 步降型（降壓型）MicroSiPTM電源模塊電路設計實例 362
6．1．5 步降型（降壓型）SWIFTTM電源模塊和轉(zhuǎn)換器 363
6．1．6 步降型（降壓型）POL（負載點）電源模塊 369
6．1．7 同步降壓NexFETTM電源模塊和功率級 372
6．2 升壓型（BOOST）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 377
6．2．1 升壓型DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 377
6．2．2 MicroSiPTM升壓型電源模塊 377
6．2．3 DC-DC步升型（升壓型）轉(zhuǎn)換器 377
6．2．4 易電源步升型（升壓型）納米穩(wěn)壓器 379
6．3 降壓-升壓型（BUCK BOOST）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 384
6．3．1 降壓-升壓型DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 384
6．3．2 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器應用電路實例 385
6．4 SEPIC DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 387
6．4．1 SEPIC DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 387
6．4．2 SEPIC轉(zhuǎn)換器應用電路實例 387
6．5 反激式（FLYBACK）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 390
6．5．1 反激式DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 390
6．5．2 反激式穩(wěn)壓器應用電路實例 391
6．6 正激式（FORWARD）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 396
6．6．1 正激式DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 396
6．6．2 正激式穩(wěn)壓器應用電路實例 396
6．7 雙開關(guān)正激式（2 SWITCH FORWARD）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 398
6．7．1 雙開關(guān)正激式DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 398
6．7．2 雙開關(guān)正激式穩(wěn)壓器應用電路實例 398
6．8 有源鉗位正激式（ACTIVE CLAMP FORWARD）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 403
6．8．1 有源鉗位正激式DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 403
6．8．2 有源鉗位正激式轉(zhuǎn)換器應用電路實例 403
6．9 半橋式（HALF BRIDGE）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 407
6．9．1 半橋式DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 407
6．9．2 半橋式轉(zhuǎn)換器應用電路實例 407
6．10 推挽式（PUSH PULL）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 408
6．10．1 推挽式DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 408
6．10．2 推挽式轉(zhuǎn)換器應用電路實例 409
6．11 全橋式（FULL BRIDGE）DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 410
6．11．1 全橋式DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 410
6．11．2 全橋式轉(zhuǎn)換器應用電路實例 410
6．12 相移（PHASE SHIFT）ZVT DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器 411
6．12．1 相移ZVT DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器電源拓撲結(jié)構(gòu) 411
6．12．2 相移ZVT轉(zhuǎn)換器應用電路實例 411
6．13 數(shù)字電源電路設計 417
6．13．1 數(shù)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(shù)字電源控制器 420
6．13．4 UCD7xxx數(shù)字互補功率級 423
6．13．5 PTD08A/Dxxxx系列模塊 424
6．14 開關(guān)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(guān)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(lián)型電壓基準 435
7．1．6 并聯(lián)型電壓基準 436
7．1．7 串聯(lián)型或并聯(lián)型電壓基準的選擇 437
7．2 并聯(lián)型電壓基準應用電路實例 439
7．2．1 可選擇的并聯(lián)電壓基準芯片 439
7．2．2 并聯(lián)穩(wěn)壓器電路 440
7．2．3 擴展輸出電流的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路 440
7．2．4 擴展輸出電流的串聯(lián)穩(wěn)壓器電路 441
7．2．5 吸入式恒流源電路 441
7．2．6 以接地為參考的電流源電路 442
7．2．7 低溫度系數(shù)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(lián)型電壓基準應用電路實例 444
7．3．1 可供選擇的串聯(lián)電壓基準芯片 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 可編程電流源電路 446
7．3．6 350應變計橋路電源電路 447
7．4 電流源應用電路實例 447
7．4．1 可供選擇的電流源芯片 447
7．4．2 基本電流源電路 448
7．4．3 零溫度系數(shù)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(fā)生器電路 452
7．4．9 精密三角波和方波發(fā)生器電路 452
7．4．10 死區(qū)電路 453
7．4．11 雙向限幅電路 454
7．4．12 窗口比較器電路 454
參考文獻 456