一文搞懂高速电路中的电源设计

一块单板常常涉及多种电源，常见的如5V，3.3V，2.5V，1.8V，1.5V，1.2V，1.0V，0.9V，0.75V等，如此多种类的电源不可能都直接通过背板从电源获得，一般，单板仅有一种或两种输入电源，再由他们产生单板器件上所需要的电源。

一、电源架构
常用的电源架构有两种：集中式电源架构（CPA）和分布式电源架构（DPA）。
集中式电源架构：指系统由一个独立电源供电，并由这个独立电源直接变换得到单板所需要的各种电源。其缺点在于，对单板上的每种电源，都需要采用隔离式的DC/DC电源模块，而隔离式电源模块的成本远高于非隔离式电源模块，且每增加一种电源，其成本和PCB面积都需要相应的增加。
分布式电源架构：采用两级电源转换，第一级提供单板输入端电源到单板中间电源的转换，这一级需采用隔离式电源模块；第二级则实现由中间电源到板内各个电源之间的转换，这一级采用的是非隔离式电源模块。这种架构又称为中间总线架构IBV。
中间电源的电压值可选择为12V，10V，或者9V等，第一级电源的目的是获得中间电源，同时为单板提供电源隔离保护，因此可以输出较大的纹波和噪声，而第二级电源的目的是 输出单板上所需要的电源，因此重点是限制输出端的噪声和纹波，同时提高转换效率。
二、电源电路的分类
常见的电源电路有整流、斩波、变频、逆变等几种类型。
整流：将交流电转换为直流电的过程，常见的AC/DC就是整流型。
斩波：将某一电平的直流电转变为另一电平的直流电的过程。常见的如DC/DC。
变频：将某一频率下的交流电转换为另一交流电的过程。其作用是节能，调速。
逆变：将直流转换为交流电的过程，一般用于可移动便携式供电。
最常见的电源变换类型是直流转直流即斩波，有两种常用的电路可实现该功能：LDO和DC/DC。
三、LDO电源介绍及应用要点
如图所示，LDO（低压差线性稳压器）的核心部件是一个工作在线性区的调整管（晶体管或MOSFET）以及一个放大器构成。
如图所示，由R1和R2构成的分压网络对输出电压Vout采样，采样值送往放大器，与内部参考电压Vref比较，差值经放大器放大后，驱动VT，以实现对Vout的调整。当Vout减少时，Vref与采样值的差值增大，放大器输出电压增大，使调整管的压降减少，Vout增大，反之亦然，最终都将使Vout回到设定值。对LDO而言，通过调整R1与R2的阻值，可实现对Vout电压值的调整。
LDO的特性参数：输入电压、输出电压、最大输出电流、输入/输出电压差，功耗，线性调整率、负载调整率，接地电流，温度，
四、DC/DC电源介绍
1.DC/DC电源与LDO电源的比较
DC/DC是指直流到直流，且转换方式是由开关方式实现的电源为DC/DC电源。
LDO的优点是低噪声纹波，应用简单、成本低、输出/输入几乎无延时，而缺点是功耗大、效率低、只能用做降压变换、只支持小电流的输出（受散热条件的限制，LDO最大功耗不能超过3W）、无法实现输入/输出的隔离。LDO的这种特性与其内部的晶体管工作在线性区有关。
DC/DC电源的MOSFET工作在开关状态，通过控制MOSFET导通和截止的时间比率，可实现对输出电压值的配置。与LDO相比，DC/DC的优点是功耗低、效率低、支持升压、降压、反相等变换，且支持大电流的输出，并能支持输出/输入端的隔离，而缺点是纹波较大，电路设计复杂、成本相对较高、输入输出存在较大延迟。
2.DC/DC电源的调制方式
DC/DC电源的调制方式有三种:PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。其中，PWM是最为常见的调制方式。
PWM指脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation ) . PFM指脉冲频率调制C Pulse
Frequency Modulation ) 。
PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现稳定电源电压的输出。在PWM调制方式下，开关频率恒定，每隔一段时间(开关周期teYC} )，开关都会有一段时间(tON)处于导通，即不存在长时间被关断的可能性，因此具有以下优点:噪声低、效率高，对负载的变化响应速度快，且支持连续供电的工作模式，但同样基于PWM的这种工作方式，使得其在轻负载时效率较差，工作不稳定，因此在轻负载时，设计上需提供假负载。
PFM则通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。与PWM的持续工作方式不同，PFM工作时，在输出电源电压超过设置电压后，其输出将被关断，直至输出电源电压跌落到低于设置电压后，才重新开始工作。基于这种工作方式，PFM的功耗相对较低，在轻负载时，其效率之高尤为显著，且轻载时无需外部提供假负载，但在PFM调制方式下，输出端对负载变化的响应相对较慢，且输出电压的噪声和纹波相对较大，同时，由于无法提供限流功能以致其不适合工作于连续供电方式。
3.DC/DC电源分类
根据输出电压与输入电压之间的关系，DC/DC电源可分为降压、升压、反相三种类别。(需注意，LDO仅支持降压变换‘)。以降压为目的DC/DC电源电路称为BUCK电路，以升压为目的的DCDC电源电路称为BOOST电路，而以反相为目的的DC/DC电源电路称为BUCK-BOOST电路。以下简要介绍BUCK电路和BOOST电路。
1）BUCK电路
BUCK电路由开关管Q，续流二极管D，以及在输出端起储能和滤波作用的器件L, C构成。DC/DC电源芯片输出PWM调制波形，控制开关管Q的通断，在一个开关周期t内，Q导通和关断的时间分别定义为tON和tOFF 。

4.总结
①DC/DC电源电路的优点是功耗低、效率高，支持升压、降压、反相等多种变换方式，且支持大电流的输出，并能支持输入输出端的隔离，而缺点是纹波大、电路设计复杂、成本相对较高、在输入和输出端存在较大的延时。
②DC/DC电源有两种调制方式:PWM和PFM。 PWM的优点是噪声低、效率高，对负载的变化响应速度较快，且支持连续供电的工作模式，但缺点是轻负载时效率较差、工作不稳定;PFM的优点是轻载时效率较高，缺点是输出端对负载变化的响应较慢，且输出电源的噪声和纹波相对较大，不适合工作于连续供电方式，PWM/PFM混合调制模式有利于发挥这两种模式各自的优点。
③在BUCK电路和·BOOST电路的应用中，需注意MOSFET导通和关断时电流的流向。