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时钟和电源设计知识
来源:未知    日期:2020-06-15    阅读( )
对于高速电路设计,非常重要的考虑因素就是时钟设计和电源设计。下面简单介绍时钟设计和电源设计的考虑要素。

时钟设计

时钟设计的主要考虑是:确保多个接受器在接受数据时,能够满足建立时间和保持时间的要求。接受信号通常会通过时钟的上升沿,在时钟上升沿采样DATA线上的数据。因此,在时钟上升沿到来之前,DATA上面的数据就需要提前准备好,这就是满足建立时间。在时钟上升沿过去后,DATA线上面的数据还需要保持一点点时间,让接收器能够稳定接受,这个就是保持时间。
  
 

电源总体方案设计

 
电源设计的总体方案设计考虑事项:
纹波 
噪声   
上电顺序
 
1、确定较大元器件的各个电压:3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V;
 
2、估算CPU、PHY、FPGA、CPLD、单片机、存储器等,各个电压等级的最大电流;
 
3、计算电源芯片LDO或DC/DC输出电压对应的总电流;
 
4、根据总电流、输入输出电压确定电源芯片的效率;
 
5、根据电源芯片的效率、输出电流、输入输出电压计算芯片的最大损耗;
 
6、根据datasheet提供的数据算出芯片在最大输出电流情况下的结温(确定最高使用环境温度),比较是否小于芯片能承受的最大结温;
 
7、根据输出电流I、允许最大纹波V,及公式V=ESR*I推算出所需要使用电容ESR。
 
8、根据计算出的电容ESR与C固定的比例关系,推算出电源芯片输出端需要的电容容值;
 
9、根据电源芯片datasheet确定反馈电压的电阻阻值;
 
10、根据电源芯片datasheet确定外置电感的感值;
 
11、根据电源芯片工作的开关频率和电容的去耦半径、电容的去耦频率,在电源芯片的输入输出增加数量不等瓷片电容。
 
AC/DC  DC/DC称为开关电源
 
DC/AC  AC/AC称为逆变器和变频器
 
LDO内部的晶体管工作在线性区,无法实现输入端和输出端的有效隔离 ,功耗较大。LDO成本低
 
DC/DC通过控制MOSFET的开关时间来控制输入输出回路的连通和断开的时间,进而输出不同的电压值,能耗较低。DC/DC的电流相对较大,输入输出有效隔离,但电路设计复杂成本较高。  输入与输出之间有少量延时。纹波和噪声较大。
 
纹波:呈现出规律性,类似交流成分。开关电源纹波的频率与开关管的纹波频率相同。如下图所示。其是跌在在输出直流上的交流成分。
 
噪声:无规律随机,受电路中非设计内因素影响,是开关电源产生的一种高频脉冲串,由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成,噪声的频率比开关频率高的多。噪声很大程度上与电路中寄生参数以及测试时候的外部电磁环境,PCB内部的干扰等有关。
 
 
电源设计的时候除了保证各个模块的正常供电  电压  电流外,还应该注意有时存在对各个模块上电时序的要求:
 
例如:  对于主控芯片来说,一般内核部分先上电,外围的SDRAM或其它的外围电路后上电。
 
可以通过控制电源芯片的使能引脚或通过控制BJT(MOSFET)来控制上电。
 
 
上电顺序的控制有以下几种方式:
 
1、DC/DC电源芯片转换的使能控制端;
 
2、基于专用的电源综合管理芯片  )——如TPS51116
 
PMIC的主要功用为控制电量流量及流向以配合主系统需要。在多个电源(例如,外部真流电源、电池、USB电源等),选取、分配电力给主系统各部分使用,例如提供多个不同电压的电源,并负责为内部电池充电。因为使用的系统多以电池为电源,其多使用高转换效率的设计,以减少功率损耗。
 
3、基于延时的缓启动电路对MOSFET栅级的驱动使能
 
4、基于CPU的IO口对MOSFET的栅级的控制。
 

电源方案-例子

电源估算表
3.3V 100mA    
1.8V 50mA    
1.2V 20mA    
5V 500mA    
 
具体如何估算不同电压的电流?
主要是根据手册来计算,不同的手册上,都会写明,不同电压范围的最大功耗。
 
为何高端芯片会采用多种电压供电?
高端芯片一般采用多种电压供电,因为高端芯片中,IO一般为了兼容其他设备,为3.3V, 所以VDD_IO为3.3v. 内核一般为了降低功耗,采用1.8V或者1.2V。
 

DCDC和LDO

DCDC采用MOS管开关控制,所以转换效率高,通常达到85%~90%。但是相对电路复杂,成本高一些,而且由于开关,所以会导致纹波。
 
LDO为线性电源,例如:5V转3.3V,如果工作电流为0.1A,则负载功耗为0.33W, LDO自身承载功耗为0.17W。因此LDO只适合做低功耗电源,不适合做高功耗电源。
 
一般电路中,总电源采用DCDC模块,然后用LDO输出不同电压的电源。
 
 
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