電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對于依賴電池電源的移動式設(shè)備至關(guān)重要。通過降低組件閑置時(shí)的能耗，優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貕勖娱L兩倍或三倍。電源管理技術(shù)也稱做電源控制技術(shù)，它屬于電力電子技術(shù)的范疇，是集電力變換，現(xiàn)代電子，網(wǎng)絡(luò)組建，自動控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)，能源，交通，信息，特種，特種，教育，文化等諸多領(lǐng)域。

電源設(shè)計(jì)的技術(shù)

Q1：如何來評估一個系統(tǒng)的電源需求

Answer：對于一個實(shí)際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓、輸出電壓和電流，還要仔細(xì)考慮總的功耗、電源實(shí)現(xiàn)的效率、電源部分對負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力、關(guān)鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少，對降低整個系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了（對比LDO和開關(guān)電源，開關(guān)電源的效率要高一些）。值得注意的是，評估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平[2]。

至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對于一些高性能的CPU應(yīng)用就會有嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng)CPU突然開始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的啟動電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過多，導(dǎo)致CPU運(yùn)行出錯。

一般來說，要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的±5%，所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。

散熱問題對于那些大電流電源和LDO來說比較重要，通過計(jì)算也是可以評估是否合適的。

Q2：如何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路

Answer：根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)，可以來選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了。一般弱電部分，包括了LDO（線性電源轉(zhuǎn)換器）、開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下，LDO設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn)、輸出紋波小，但缺點(diǎn)是效率有可能不高、發(fā)熱量大、可提供的電流相較開關(guān)電源不大等等。而開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活、效率高，但存在紋波大、實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜、調(diào)試比較煩瑣等缺點(diǎn)。

Q3：如何為開關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)

Answer：很多的未使用過開關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問題、PCBlayout問題、元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實(shí)只要了解了，使用一個開關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的。

一個開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會將MOSFET集成到芯片中去，這樣使用就更簡單了，還簡化了PCB設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。

開關(guān)控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，一般都會有一個反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路、控制反饋深度，因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過慢的話，對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很多影響的。

而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容、輸出電感以及MOSFET等等，這些元件的選擇基本上要滿足一個性能和成本的平衡：高的開關(guān)頻率就可以使用小的電感值（意味著小的封裝和便宜的成本），但是較高的開關(guān)頻率會增加干擾和增大MOSFET的開關(guān)損耗，使效率降低；低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則恰好相反。

對于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的：選擇小的ESR可以減小輸出紋波，但是電容成本就會增加（好的電容會貴嘛）。開關(guān)電源控制器驅(qū)動能力也是需要注意：過多的MOSFET是不能被很好驅(qū)動的。

一般來說，開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒。

Q4：如何調(diào)試開關(guān)電源電路

Answer：有一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家：

1:電源電路的輸入輸出通過低阻值大功率電阻接到板內(nèi)，這樣在不焊電阻的情況下可以在做到電源電路后先調(diào)試，避開后面電路的影響。

2:一般來說開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍，開關(guān)電源工作就會不正常，這種情況就需要認(rèn)真檢查反饋和采樣電路。特別需要注意的是如果采用了大ESR值的輸出電容，會產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會影響開關(guān)電源的工作的。

接地技術(shù)的討論

Q1：為什么要接地?

Answer：接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭受雷擊而采取的保護(hù)性措施，方法是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，接地也是保護(hù)人身安全的一種有效手段：當(dāng)某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設(shè)備外殼碰觸時(shí)，設(shè)備的外殼就會有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，接地后由此生成的故障電流就會流經(jīng)PE線到大地，從而起到保護(hù)作用。隨著電子通信及其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準(zhǔn)‘地’作為信號的參考地；隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號頻率越來越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注（接地不當(dāng)就會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性）。此外，高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。

Q2：接地的定義

Answer:在現(xiàn)代接地概念中、對于線路工程師來說，該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’；對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；對電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”（注意要求是”低阻抗”和“通路”）。

Q3：常見的接地符號

Answer:PE,PGND,FG－保護(hù)地或機(jī)殼；BGND或DC-RETURN－直流－48V(24V)電源（電池）回流；GND－工作地；DGND－數(shù)字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護(hù)地

Q4：合適的接地方式

Answer:接地方式很多，有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來說，單點(diǎn)接地用于簡單電路、不同功能模塊之間接地區(qū)分以及低頻（f<1MHz）電子線路。當(dāng)設(shè)計(jì)高頻（f>10MHz）電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地或者多層板（完整的地平面層）。

Q5：信號燈回流和跨分割的介紹

Answer：對于一個電子信號來說，它需要尋找一條最低阻抗的電路作為回流到地的途徑，因此如何處理這個信號回流就變得非常的關(guān)鍵。

第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，因此在PCB布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。

第二，對于一個高速信號來說，提供較好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因?yàn)镻CB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計(jì)算的。如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發(fā)生變化，因?yàn)椴贿B續(xù)的阻抗會影響到信號的完整性。所以，布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層或者在高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三，為什么說布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這是因?yàn)樾盘柨缭搅瞬煌娫磳雍螅幕亓魍緩骄蜁荛L了，容易受到干擾。當(dāng)然，并非所有信號都嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，低速的信號是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號可以不予考慮。對高速信號就要認(rèn)真檢查，盡量通過調(diào)整電源部分的走線避免跨越。（這是針對多層板多個電源供應(yīng)情況說的）

Answer：對于一般器件來說，就近接地是最好的。采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，一般信號的接地就非常容易了，此時(shí)的基本原則是保證走線的連續(xù)性、減少過孔數(shù)量、靠近地平面或者電源平面等等。

Q6：為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開?

Answer：模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地。因?yàn)閿?shù)字信號變化速度快，會在數(shù)字地上引起很大的噪聲，而模擬信號是需要一個干凈的地來參考工作的，如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。

一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線或者單點(diǎn)連接在一起，總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地很干凈的話就可以連接在一起。

Q7：單板上的信號如何接地?

Answer：對于一般器件來說，就近接地是最好的。采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，一般信號的接地就非常容易了，此時(shí)的基本原則是保證走線的連續(xù)性、減少過孔數(shù)量、靠近地平面或者電源平面、等等。

Q8：單板的接口器件如何接地?

Answer：有些單板會有對外的輸入輸出接口，比如串口連接器、網(wǎng)口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設(shè)計(jì)的不好也會影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連會有誤碼、丟包等現(xiàn)象，還會成為對外的電磁干擾源，將板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地，與信號地的連接采用細(xì)的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以抑制信號地上噪音傳到接口地上來。同樣的，對接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

Q9：帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

Answer：屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上，這是因?yàn)樾盘柕厣嫌懈鞣N的噪聲，如果將屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾，這就是為什么設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都會是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然將屏蔽層接到接口地上的前提是接口地也要非常干凈。