电源电路设计方法精选(九篇)

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第1篇：电源电路设计方法范文

关键词：proteus仿真赛 独立学院 培训方法

我校自 2012年以来，一直在组织培训学生参加江西省电路仿真设计比赛，这个比赛是基于 proteus和 keil软件进行的，要求参赛学生熟悉模拟电路、数字电路、传感器技术以及单片机系统相关的知识，比赛以组委会组织专家组命题的形式进行，要求学生在 8小时内完成设计任务。那么，如何让学生在有效的时间内，顺利完成比赛任务，就和平时的准备和训练息息相关，一套行之有效的培训方法是学生成功获奖的关键，本文给出了笔者多年来仿真比赛的培训经验，抛砖引玉，可以作为同行们培训的参考。

电路仿真比赛涉及知识面广，对培训老师的要求比较高，同时比赛结果也是一所学校教学水平的侧面反映，特别是那些注重工程实践的课程的教学水平。以赛促改，是仿真设计比赛的直接目的，比赛过程中反映的各种问题都可以作为学校课程教学和实验室建设的改革依据。竞赛必将引起学院各级领导和广大教师重视实践教学环节，提高实践教学水平，重视实践环境的改善，全面提高学生的创新意识和创新素养。所以，电路仿真比赛积极促进了学校实践教学的改革和实用性人才培养模式的建立和推行。

一、传统电路仿真教学模式存在的问题

1、传统培训的方法存在缺陷

我校自2012年参赛，一直都在摸索有效的培训方法和体系，从近三届比赛中学生暴露的各种问题充分体现了传统培训方法的不足。其一，是掌握的知识面不够宽，知识点分离，综合能力不强。学生拿到一个设计任务之后，提出的设计方案存在不合理的地方，同时不能充分地论证和比较所给方案，设计也是采取生搬硬套的方式照搬参考模板，不会自己构思新的设计电路；其二，学生综合分析的能力有待加强，他们分析问题只看点不看面，更不用说系统的整体配合了，究其原因是生硬地理解所学习的知识点，不能灵活地面对所接触的各种电路。

2、课程理论教学脱离工程实践

培训过程中，布置给学生任务之后，学生不能迅速找准相关的资料参与设计，多数学生首先选择的参考资料就是教材和教学参考书，说明学生的思维始终停留在传统教学的培养模式中，缺乏工程意识，思维有局限性。同时也反映了平时我们的课程教学也存在脱离工程实际的缺陷。

3、教学工作中缺乏对学生实验技能的培养

在培训过程中，我们发现学生不太习惯计算元件参数的值，而采取实验匹配的办法来选择使用的元件，而大多数同学不习惯使用实验数据表格对设计进行分析，获得实验数据之后也不能正确总结归纳数据的规律，电路调试和故障排查的能力比较差。这些现象侧面反映了我们的实验教学内容验证型的实验过多，综合设计型实验过少，没有培养学生的综合设计能力。

4、教学中缺少编程思想方面的培养

电路仿真比赛中的题目是必须使用单片机的，采用的语言是 C语言，我们学校开设了很多和单片机编程有关的课程，比如《微机原理与接口技术》、《单片机原理与技术》以及《 C语言程序设计》等，但是这些课程的教学过于注重语言、语法的解释，而没有很好地加强学生编程思想的培养。导致学生不会编程，影响了比赛的成绩。

二、电路仿真设计比赛培训方法的创新

如何提高学生在电路仿真设计比赛中的成绩，针对培训中出现的各类问题和历届本校电路仿真设计比赛成功经验和失败教训，本文提出一些列培训方法的创新。

1、重视实践教学内容的教学

构建电路仿真设计相对独立的实践培训体系，首先要求培训教师抛弃传统教学观念，从以教师为核心的传统授课模式变成以学生为主老师为辅的培训模式；从单一的实验验证培训体系转换成层次型、综合性性项目、案例式培养体系。

培训过程中，同一个电路或者模块让学生自己整理多个方案，并独立完成对方案的评价和论证，让学生自己选择不同型号的芯片实现同一功能，并总结对比其优劣，不同的芯片使用过程中电路如何修改？为什么改变。为了配合这一环节有效进行，要求学生参阅相关的文献资料，多上图书馆和相关网站积累设计经验，并以论文、读书笔记以及产品制作的方式提交培训作业，由老师仔细批改，认真点评。

2、采取项目导向、任务驱动的培养模式

改变传统的先讲理论，在根据理论进行实践论证的授课方式，每次培训内容都以项目案例为素材，一次课解决一个工程实际问题。对于单片机系统的培训，我们选用若干个典型的单片机产品，结合一些工程小案例或者项目，把单片机中断、定时计数器、串行通信、 I/0口等理论知识融合在项目设计中，让学生在实际动手过程中深刻体会到什么是端口？什么是中断？为什么要中断？等理论问题，变抽象理论为具体形态，让学生在真实的模型下建立其中断、端口和定时计数等概念，为以后的设计打下坚实的基础。

3、联系实验室教学部门，实行全开放式实验教学

我们和实验室进行了沟通，实行全开放式实验教学。充分发挥开放实验室的作用，制定了开放式实验室的管理办法以及开放式实验教学方案，充分保障开放实验室工作的有序进行。开放性实验室是分层次面对不同学生开放的，一定时期内，每一个层次的实验室对应一个开放式实验项目，配备指导教师，由指导教师负责推行对应实验室的项目教学工作。

开放式实验室的推行，大大提升了学生动手能力，是一个对电路仿真赛培训起着重要作用的侧面措施，负责开放式实验室的教师都是电路仿真设计赛的指导老师，这样的方式给学生实践能力的培养带来了好处，同时也重构了师生关系，让之后的系统培训工作变得顺利。

4、加强课外电子活动，调动学生学习兴趣。

我校组建了电子设计兴趣小组，开展了各种不同形式的第二课堂活动，培养学生电子设计者必须具备的独立思考、综合分析和解决问题的能力，充分利用学校机房和实验室作为学生活动的场地，配备专门的老师进行指导和协助，成立电子设计创新指导中心，对选拔后的学员进行指导教师负责制，几乎是一对一的辅导形式，让这些拔尖的学生可以参与老师的科研项目，独立承担科研课题中的小型项目设计。鼓励学生多动手，多参加这样的科技活动。

三、结语

大学生电路仿真赛是一个实践性很强的比赛，其培训过程是一个细致而严谨的过程，如何变理论为实际，是这个培训工作的中心，我们给出了很多辅助培训的项目，也研发了很多案例进行课程培训，基本上满足了受训学生具有电子系统的设计和开发能力。经过近几年的不断探索与实践，我们的培训和比赛工作都取得了一定成绩，从 2102年开始每年比赛我们学校都有学生获奖，累计获得一等奖 3人次，二等奖 3人次，三等奖若干。实践证明，这些培训的措施取得了较好的培训效果。

参考文献：

[1]郭志俊.论电子类竞赛在专业课程改革中的作用 [J].浙江水利水电专科学校学报， 2011，2（6）：82―84.

[2]李天真，崔立军.竞赛引领下的应用电子技术专业课程体系重构 [J].湖州职业技术学院学报， 2010，10（3）：21-23.

[3]曹健树.单片机创新实践教学改革与实验室建设 [J].实验室研究 -9探索. 2005。 16（9）：4-6.

第2篇：电源电路设计方法范文

1高速数字电路的概念

高速数字电路是一种具有模拟特性作用的电路，主要由电路中高速变化的信号产生的电容、电感等所形成，集中参数系统以及分布参数系统是高速数字电路中最主要的两个部分。其中，集中参数系统简化了低速数字电路设计，使其保持理想状态，因此在高速数字电路技术中，集中参数系统并不适用，但是其却适用于低速数字电路设计。一般来说，信号特性的改变主要由两大因素造成，包括信号时间、信号的位置，因此元器件间的线路长度会对信号的特性产生直接影响，并且，线路中信号的传输并不具备实时性。

2高速数字电路设计技术发展目前存在的问题

信号质量在高速数字电路设计中的作用十分重要，如果信号的质量无法得到保证，将会造成信号失真的情况，对生成正确地址、数据和控制信号产生不利影响，从而阻碍了系统的正常运转。对信号质量产生影响的因素主要有：第一，系统中信号传输线位置上具有不相匹配的阻抗，反射噪声的产生较为常见，将对信号的质量产生不利影响；第二，印刷板位置的电路密集度与信号线间的距离是呈反比例的关系，信号线间距离的减小使其电磁耦合变大，产生较大的影响，使信号间的串扰更加严重；第三，芯片电路在运行时，附加在电源上的电阻及电感会影响其工作，造成大感应电流的产生，使电源线及地线上电压无法保持稳定，进而产生严重的波动现象。总而言之，克服影响信号质量的有关因素，使高速数字电路信号质量得到提高，从而进行科学的电路设计已经成为目前高速数字电路设计中的重要研究对象。

3高速数字电路设计技术发展的相关措施

3.1对高速数字电路信号质量的研究

高速数字电路信号质量的设计包括反射研究以及干扰研究两大方面，即研究各种信号在电路信号网中所产生的干扰，以及研究各种电路信号网传输信号的干扰，受电路中不同匹配的阻抗因素等影响，在低速数字电路设计中不需考虑反射这一因素。数字电路网在理想状态下，其不同阻抗之间能够相互匹配，并表现出较为明显的连续性，因此线路的电压和电流中无发射现象的产生。数字电路的设计过程中，不匹配的阻抗会影响电路传播的波形，从而形成干扰，破坏信号完整性。在高速数字电路的设计中，使电路和临界阻抗相匹配存在较大的困难，所以使系统稳定在过阻的状态，该方法具有较高的可行性。高速数字电路设计中，感性串扰是应最先考虑的问题。按照有关理论可知，电路中的电流是循环流动的，并且其已经成为一种状态，然而其被大部分数字电路设计人员忽略。信号的路线构成电流环路，电流环路能够影响电路中的电感，其中的电流同样也受电磁场的影响而发生相应的变化。设计者应使电路中的电流环路尽可能减少，从而使感性串扰得到明显控制，设计高速数字电路，一般能够采用两种策略来实行，也就是增加线路距离或者减小电流环路面积，从而保证高速数字电路信号的完整性，提高电路信号的质量。

3.2对高速数字电路电源进行设计

在高速数字电路的设计中，低电压元器件是其中必不可少的因素，其一定程度上影响到电源的稳定性。电源的稳定性，其是指电源的波形质量。高速数字电路设计中，线路器件在某种情况下将产生感应电流，并且电流量较大，此外数字电路也将产生较大的信号回路阻抗，主要由电感强度过大导致。以上因素均会对电源的稳定性产生影响。电压系统零阻抗是高速数字电路设计的理想状态，因为信号回路的阻抗损耗可以忽略不计，电源系统各位置的电位也不容易发生变化。但是，理想状态在现实中并不存在，电源分配系统一定会产生噪声干扰，从而影响电路的正常运行。设计人员应充分考虑电源的电阻、电感等可能带来的影响进行高速数字电路设计，使电阻和电感保持较低的状态。就目前而言，铜质材料在电路系统中的使用较为普遍，其远不符合高速数字电路设计的需要，所以高速数字电路的设计还应考虑其他可能产生影响的因素，其中，在电路中使用去耦电容就是一个切实可行的办法。

4结语

第3篇：电源电路设计方法范文

关键词： 信号完整性； OMAPL138； 反射； 串扰； 电源完整性

中图分类号： TN911.6?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）12?0089?03

0 引 言

当今的数字电路设计中，随着用户需求的提高、半导体工艺的不断发展，处理器芯片的速度越来越快、密度越来越大、面积越来越小[1]。与低速数字电路设计相比，高速数字电路设计不仅要保证电路原理图设计的正确性，还要考虑当数字信号的上升时间减小到一定程度时，无源元件的电容、电感特性所导致的信号完整性问题。如果信号完整性问题在电路设计中被忽略，将会导致系统不稳定或无法运行，甚至整个设计都要被，极大地降低了设计效率[2]。

所以，为了提高高速数字电路设计的首次成功率，信号完整性问题得到了越来越普遍的关注。这里结合OMAPL138的高速信号处理系统，对如何解决高速数字电路中的信号完整性问题进行了具体的阐述。

1 系统简介

该系统是基于OMAPL138的高速信号处理系统， OMAPL138是整个系统的核心。OMAPL138是美国德州仪器（TI）新推出的DSP+ARM双核架构的高性能处理器，其主频最高可达456 MHz，支持浮点运算，不仅具有DSP超强的数字信号处理能力，又面向应用，具备ARM的丰富外设接口的特点，其外设接口包括EMIFA、EMIFB，UART，EMAC等[3]。DSP核和ARM核通过片内共享内存区域进行相互通信[4]。

系统硬件结构图如图1所示。系统包括NAND FLASH模块、DDRⅡ模块、VME总线模块、串口模块和网口模块。除了VME总线模块需要通过FPGA进行EMIFA到VME的接口转换外，其他模块都与OMAPL138相应的外设接口直接连接。其中，NAND FLASH模块用于存放引导程序、内核和文件系统；DDRⅡ模块用于系统运行时过程文件和临时数据的存储[5]；VME总线模块和网口模块用于与其他系统的数据通信；串口模块用于连接上位机，系统调试时，可以打印调试信息。

该系统应用在光刻机的物镜控制箱中。系统工作时，首先通过网口接收数据采集卡发送的物镜中镜片的位置、温度等信息，然后经由OMAPL138进行高速数据处理，最后通过VME总线向驱动板卡发送处理后的数据，由驱动板卡对镜片的位置、温度等进行调整。

2 信号完整性分析与仿真

常见的信号完整性问题主要包括：单条传输线的信号反射、相邻传输线之间的信号串扰、时序控制以及电源完整性问题等。

在该系统中，高速信号的信号完整性特性主要表现在OMAPL138与DDRⅡ的接口上，DDRⅡ的时钟最高可达312 MHz，地址、数据和控制信号频率为时钟的[12]，即156 MHz。下面主要以此接口为例，对信号完整性进行分析，并在Cadence软件环境下进行仿真说明。

2.1 单条传输线的信号反射

对于单条信号线来说，几乎所有的信号完整性问题都来源于信号传输路径上的阻抗不连续性所导致的反射。解决信号反射问题有三种方法：降低系统时钟频率、缩短PCB走线和端接阻抗匹配。第一种降低了系统的运行效率，第二种需要增加PCB板的层数，提高了设计成本，显然这两种方法都不可取，第三种是最有效的解决方法。端接阻抗匹配包括源端端接和终端端接，源端端接主要应用于消除二次反射；终端端接又可分为并联匹配、戴维宁匹配、交流中断匹配、二极管匹配和串联匹配[6]。几种匹配方式中，只有串联匹配最适用于大规模并行总线的的阻抗匹配应用，所以对于DDRⅡ的地址、数据和控制总线都采用串联端接阻抗匹配。

2.2 相邻传输线间的信号串扰

形成串扰的原因有两种，分别是电感性耦合和电容性耦合，它们会导致向前、向后两种类型的串扰。串扰的产生和强度大小取决于传输线中电流的变化和走线的距离，电流变化的越快、走线距离越近，耦合就越强，串扰就越严重。因此，解决串扰问题的方法有两种，分别是降低信号速率和增加走线间距。由于降低信号速率会影响系统的性能，所以应采用增加走线间距的方式来减小相邻传输线间的信号串扰。

2.3 时序控制

在高速数字电路设计中，对时序的要求非常严格，具体时序要求包括信号发送端的时序、传输路径上的延时和信号接收端的时序。在PCB的实际设计中，就要通过控制传输线的阻抗和传播延时满足信号发送端和接收端对信号建立时间和保持时间的要求[7]。

2.4 电源完整性

关于电源完整性，在高速数字电路设计中，旁路电容和去耦电容的使用也非常重要。其作用主要包括：为各种噪声提供流通到地平面的低阻抗通路；当电源波动较大时，通过储能为器件供电，保证电源的稳定性。在本系统中，有源器件的每个电源引脚与地之间都布置了0.1 μF的电容，同时整个电路板上布置了若干大容量钽电容。需要注意的是，电容的位置要尽量靠近器件的电源引脚；电容引脚走线尽可能短，因为引线越长，电感性的越强，电容的作用就越小。

3 结 语

现代高速数字电路设计中，信号完整性问题扮演着越来越不可忽视的角色。基于OMAPL138的高速信号处理系统，在测试中，没有发现因为信号完整性问题而使系统运行不稳定的情况。实践证明，分析信号完整性问题的产生原因，通过仿真得到解决信号完整性问题的方案，可以有效地防止反射、串扰等信号完整性问题对高速数字电路系统的运行产生影响，极大的提高了高速数字电路设计的一次成功率。

参考文献

[1] 王剑宇，苏颖.高速电路设计实践[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2] 霍尔.高速数字系统设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 李心阳，唐厚君.基于OMAPL138的电能质量监测系统的设计[J].微计算机信息，2011，27（6）：78?80.

[4] 栾小飞.OMAPL138双核系统的调试方案设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（1）：16?19.

[5] 赵海舜，王志平，季晓燕.基于Cadence的DDRⅡ仿真设计[J].电子科技，2010，23（8）：5?8.

[6] 邱燕军，申功勋.基于DSP+FPGA的高速信号采集与处理系统的信号完整性分析[J].测控技术，2007，26（12）：8?10.

[7] 覃婕，阎波，林水生.基于Cadence_Allegro的高速PCB设计信号完整性分析与仿真[J].现代电子技术，2011，34（10）：169?171.

第4篇：电源电路设计方法范文

【关键词】时序控制；伽马校正；DC-DC转换；液晶显示器

引言

TFT液晶屏采用行、列驱动的矩阵显示方式，需要在前端增加一个特殊的转换电路，就是“时序控制器”，将从外部供给的数据信号、控制信号以及时钟信号分别转换成适合于数据和栅极驱动IC的数据信号、控制信号、时钟信号。它的功能是色度控制和时序控制。时序控制电路是整个显示器动作时序的中心，配合每个图框显示的时机，设定水平扫描启动，并将由界面所输入的图像数据信号转换成源极驱动电路所用的数据信号，传送到源极驱动电路的寄存器中，并配合水平扫描，控制数据线驱动的适当时间，从而实现图像的显示。这个“时序控制器”就是我们常说的时序控制电路，也称为TCON电路，是TFT液晶屏可以正常显示目前视频图像信号的关键部件。

液晶屏加固设计时，由于原屏配的TCON板在功能、性能和尺寸等方面往往不能满足加固设计的要求，所以需要对TCON电路重新设计，以满足使用要求，下面以一款6.4寸液晶屏为例介绍TCON板的设计。

1 基础理论介绍

图像信号的转换，这是一个极其复杂、精确的过程，它需要先对信号进行存储，然后根据信号的标准及液晶屏的各项参数进行分析计算，根据计算的结果再按规定从存储器中读取预存的像素信号，并按照计算的要求重新组合排列读取的像素信号，成为液晶屏显示适应的信号。在这个过程中，图像信号的时间过程、排列顺序都进行了重新的编排，完全改变了原来像素信号的时间顺序关系，所以此电路称为“时序控制电路”，其英语为Timing-Control，缩写为TCON。TCON电路还要产生控制各个电路工作的辅助信号，重新编排的像素信号在辅助信号的协调下，施加于液晶屏驱动电路中，从而正确的重现出图像。

液晶屏的整体驱动电路包括时序控制电路、灰阶电压（伽马校正）发生电路、DC-DC转换电路、屏源极驱动（列驱动）电路、屏栅极驱动（行驱动）电路等，其构成框图如图1所示。

我们平时所说的“TCON电路板”是图1中的时序控制电路、灰阶电压发生电路、DC-DC转换电路三部分，它们通常做在一块独立的电路板上。这块电路板把前端送来LVDS格式的图像信号，转换为液晶屏周边源极驱动和栅极驱动集成电路所需的RSDS格式的图像数据信号，同时还输出源极驱动、栅极驱动电路工作必须的驱动控制信号（STV、CKV、STH、CKH、POL），这些信号加到屏周边的驱动电路上，最终实现图像在液晶屏上的显示。

2 TCON板电路设计

2.1 DC-DC转换电路设计

驱动电路是一个独立系统，这部分电路工作需要各种电源供电，如（Vmain供电、栅极驱动电压VGH、VGL）、伽马校正基准电压（VDA）等。为了保证该系统的稳定工作，在T-CON电路中，专门设置了一个独立的开关电源电路，该开关电源把主板送来的电源，经过DC-DC转换电路，产生逻辑驱动电路所需的Vmain、VDA、VGL、VGH等电压。这个DC-DC转换电路输出要求无干扰、电压精度高，是一个专门为逻辑驱动系统供电的开关电源电路。

本DC-DC转换电路设计采用TI公司的TPS65101电源芯片，该芯片能产生LCD需要的电压Vmain、栅极开启电压VGH及栅极关断电压VGL。芯片内部集成有3个DC-DC转换器，其中包括两个充电泵和一个升压转换器，可以为小型TFT液晶屏提供高效的调节电压。

DC-DC转换电路如图2所示，升压转换器产生行列驱动电压Vmain，一个充电泵产生正电压，作为TFT的开启电压VGH；另外一个充电泵产生负电压，作为TFT的关闭电压VGL，Gamma基准电压VDA采用Vmain。

2.2 伽马校正电路

显示屏的其源极驱动电路会向屏列电极施加一个幅度变化的像素信号电压，而该电压的变化与屏产生光点亮度的大小是一个严重畸变的非线性变化关系，呈现一个类似S形的曲线，如图3所示。

从图3可以看出，当电压等分变化时，液晶屏透光率变化中间拉长，两边压缩。在图像信号电压低亮度和高亮度时，出现了液晶屏透光率变化迅速的现象，而在图像信号电压在中等亮度时，屏透光率变化非常缓慢，这样重现的图像会出现非常难看的灰度层次失真，是需要解决的。因此，在液晶屏的T-CON电路中，针对这种失真现象专门设计了一个电压校正电路，它采用一系列幅度变化不成比例的预失真电压，对失真曲线进行校正。这一系列的电压我们称为灰阶电压，而产生灰阶电压的电路称为灰阶电压发生电路。灰阶电压组成的校正曲线如图4所示。

从图4可以看出，当液晶屏透光率等分变化时，校正电压在图像中间亮度区域进行压缩，变化加速，而在图像信号低亮度和高亮度区域时，校正电压变化缓慢。用这一系列变化的灰阶电压对图像像素信号所携带的不同亮度信息进行赋值，以纠正液晶屏的图像灰度失真。伽马校正就是这个矫正过程，相关电路也称为伽马校正电路。

本伽马校正电路设计采用TI公司的BUF16821电源芯片，BUF16821提供16个可编程的GAMMA通道和2个可编程VCOM通道，所有通道都提供轨到轨的输出且支持I2C接口编程。生成的GAMMA和VCOM值可以存储在芯片的非易失性存储器上。BUF16821支持多达16个的片上存储器的写操作。

伽马校正电路如图5所示，GAMA1-GAMA10提供GAMMA电压，VCOM提供Vcom电压，电压值可通过I2C写入芯片，并存储在入芯片的非易失性存储器。

2.3 时序控制电路设计

时序控制电路主要由一片专业TCON处理芯片构成。该电路把前端送来的LVDS信号经过逻辑转换，产生RSDS图像数据信号，以及后级驱动电路所需的各种控制信号。

LVDS信号包括图像的RGB基色信号、行同步、场同步信号及时钟信号，这些信号进入时序控制电路后，RGB基色信号转换成为RSDS图像数据信号，行、场同步信号转换转变成相关控制信号。

时序控制电路采用专业TCON处理芯片DTC34LN00R，如图6所示，芯片将由CN1输入的LVDS视频信号转换成液晶屏能显示的信号，由CN2传给液晶屏。

3 设计测试结果和显示效果

按照上述介绍设计出TCON板，设计出TCON板各电压测试值如表1所示，设计的TCON板安装在加固显示器，显示效果如图7所示。

4 结论

针对设计加固显示器时需要对液晶屏的时序控制板重新设计的问题，采用本文介绍的方法，通过选用DC-DC电源芯片产生液晶屏的驱动电压，选用TCON芯片产生液晶屏的时序控制信号，设计开发出TCON板，实现液晶屏的驱动功能。TCON板随加固显示器进行了高低温、振动的性能试验，试验表明设计能满足加固显示的要求。

【参考文献】

[1] TI. TPS65100- TRIPLE OUTPUT LCD SUPPLY WITH LINEAR REGULATOR AND VCOM BUFFER 2009.04.

[2] TI. BUF16821 - Programmable Gamma-Voltage Generator and VCOM Calibrator with Integrated Two-Bank Memory. 2012.06.

[3]田民波，叶锋.TFT LCD面板设计与构装技术[M].北京：科学出版社，2010：41-48.

[4]申智源.TFT-LCD技术：结构、原理及制造技术[M]. 北京：电子工业出版社，2011：9-16.

第5篇：电源电路设计方法范文

关键词： ARM； 压电陶瓷； 驱动电源； PI控制器

中图分类号： TN911?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）14?0166?05

High?resolution piezoelectric ceramic actuator power supply based on ARM

GE Chuan， LI Peng?zhi， ZHANG Ming?chao， YAN Feng

（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： According to the requirement of the micro piezoelectric actuator for driving power supply， a piezoelectric actuator power supply system was designed. In this paper， the digital circuit and analog circuit in the power supply system were described in detail. The accuracy and the stability of the actuator power supply were analyzed and improved. Finally， the performance of the power supply was verified in experiment. The experimental results indicate that the output voltage noise of the designed power supply is lower than 0.43 mV， the maximum nonlinear output error is less than 0.024%， and the resolution can reach 1.44 mV， which can meet the requirement of static positioning control in the high resolution micro?displacement system.

Keywords： ARM； piezoelectric ceramic； driving power supply； PI controller

0 引 言

压电陶瓷驱动器（PZT）是微位移平台的核心，其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，从而驱动执行元件发生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大和体积小等优点，在航空航天、机器人、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域中得到了广泛的应用[1?3]。然而压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的压电陶瓷驱动电源。要实现纳米级定位的应用，压电陶瓷驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调，同时电压分辨率需要达到毫伏级。因此压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台中的关键技术[3]。

1 压电驱动电源的系统结构

1.1 压电驱动电源的分类

随着压电陶瓷微位移定位技术的发展，各种专用于压电陶瓷微位移机构的驱动电源应运而生。目前驱动电源的形式主要有电荷控制式和直流放大式两种。电荷控制式驱动电源存在零点漂移，低频特性差的特点限制其应用[4]。而直流放大式驱动电源具有静态性能好、集成度高、结构简单等特点，因而本文的设计原理采用直流放大式压电驱动电源。直流放大式电源的原理如图1所示。

图1 直流放大式压电驱动电源原理

1.2 直流放大式压电驱动电源的系统结构

驱动电源电路主要由微处理器、D/A转换电路和线性放大电路组成。通过微处理器控制D/A产生高精度、连续可调的直流电压（0～10 V），通过放大电路对D/A输出的直流电压做线性放大和功率放大从而控制PZT驱动精密定位平台。

该设计中采用LPC2131作为微处理器，用于产生控制信号及波形；采用18位电压输出DA芯片AD5781作为D/A转换电路的主芯片，产生连续可调的直流低压信号；采用APEX公司的功率放大器PA78作为功率放大器件，输出0～100 V的高压信号从而驱动PZT。为实现高分辨率压电驱动器的应用，压电驱动电源分辨率的设计指标达到1 mV量级。

2 基于ARM的低压电路设计

2.1 ARM控制器简介

压电陶瓷驱动电源中ARM控制器主要提供两方面功能：作为通信设备提供通用的输入/输出接口；作为控制器运行相关控制算法以及产生控制信号或波形实现PZT的静态定位操作。针对如上需求，本设计采用LPC2131作为主控制器[5]，LPC2131是Philips公司生产的基于支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI?S?CPU的微控制器，主频可达到60 MHz；LPC2131内部具有8 KB片内静态RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存储器；具有两个通用UART接口、I2C接口和一个SPI接口。由于LPC2131具有较高的数据处理能力和丰富的接口资源使其能够作为压电驱动电源的控制芯片。

2.2 D/A电路设计

由于压电驱动电源要求输出电压范围为0～100 V，分辨率达到毫伏级，所以D/A的分辨率需达到亚毫伏级。本设计采用AD5781作为D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度转换器，输出电压范围-10～10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/噪声频谱密度。另外，AD5781还具有极低的温漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，该D/A转换器芯片特别适合于精密模拟数据的获取与控制。D/A电路设计如图2所示。

在硬件电路设计中，由于AD5781采用的精密架构，要求强制检测缓冲其电压基准输入，确保达到规定的线性度。因此选择用于缓冲基准输入的放大器应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。这里选用AD8676，AD8676是一款超精密、36 V、2.8 nV/双通道运算放大器，具有0.6 μV/℃低失调漂移和2 nA输入偏置电流，因而能为AD5781提供精密电压基准。通过下拉电阻将AD5781的CLR和LDAC引脚电平拉低，用于设置AD5781为DAC二进制寄存器编码格式和配置输出在SYNC的上升沿更新。

图2 AD5781硬件设计电路图

在ARM端的软件设计中，除正确配置AD5781的相关寄存器外，还应正确配置SPI的时钟相位、时钟极性和通信模式[5]。正确的SPI接口时序配置图如图3所示。

图3 主模式下的SPI通信时序图

3 高压线性放大电路设计

本文压电驱动电源采用直流放大原理，通过高压线性放大电路得到0～100 V连续可调的直流电压驱动压电陶瓷。放大电路决定着电源输出电压的分辨率和线性度， 是整个电源的关键。

3.1 经典线性放大电路设计

放大电路采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA78作为主芯片。PA78的输入失调电压为8 mV，温漂-63 V/°C，转换速率350 V/μs，输入阻抗108 Ω，输出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB。基于PA78的线性放大电路设计如图4所示。配置PA78为正向放大器，放大倍数为，得到输出电压范围为0～100 V。

如果运放两个输入端上的电压均为0 V，则输出端电压也应该等于0 V。但事实上，由于放大器制造工艺的原因，不可避免地造成同相和反相输入端的不匹配，使输出端总有一些电压，该电压称为失调电压。失调电压随着温度的变化而改变，这种现象被称为温度漂移（温漂），温漂的大小随时间而变化。PA78的失调电压和温漂分别为8 mV、-63 V/°C，并且失调电压和温漂都是随机的，使PA78无法应用于毫伏级分辨率的电压输出，需要对放大电路进行改进。

图4 线性放大电路

3.2 放大电路的改进

这里将PA78视为被控对象G（S），将失调电压和温漂视为扰动N（S），这样就把提高放大器输出电压精度转化成减小控制系统的稳态误差的控制器设计的问题。在控制器的设计中常用的校正方法有串联校正和反馈校正两种[6]。一般来说反馈校正所需的元件数少、电路简单。但是在高压放大电路中，反馈信号是由PA78的输出级提供。反馈信号的功率较高，为元件选型和电路设计带来不便，故线性放大电路中不使用反馈校正法[7]。而在串联校正方法中，有源器件的输入不包含高压反馈信号，所以该设计采用串联校正方法，采用模拟PI（比例?积分）控制器G1（S）进行校正，如图5所示。

图5 放大电路串联校正控制系统

图5中，PI控制器将输出信号c（t）同时成比例的反应输入信号e（t）及其积分，即：

（1）

对式（1）进行拉普拉斯变换得：

（2）

由式（2）观察可得，PI控制器相当于在控制系统中增加了一个位于原点的开环极点，开环极点的存在可以提高系统的型别，由于系统的型别的提高可以减小系统的阶跃扰动稳态误差（对于线性放大电路，可视失调电压和温漂为阶跃扰动[8]）。同时PI控制器还增加了一个位于复平面中左半平面的开环零点，复实零点的增加可以提高系统的阻尼程度，从而改善系统的动态性能，缓解由牺牲的动态性能换取稳态性能对系统产生的不利影响[9]。

放大电路的设计中采用有源模拟PI控制器，改进后的线性放大电路如图6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的输入失调电压低于50 μV（满温度行程下），电压噪声≤0.04 μV（P?P）@0.1～10 Hz，因此适合用于串联校正环节，以提高系统稳态性能、减小输出电压漂移。

校正环节的系统函数为，其中、，调节R7，R8和C4的参数值，达到减小输出误差的目的。

3.3 相位补偿

从工程角度考虑，由于干扰源的存在，会使系统的稳定性发生变化，导致系统发生震荡。因此保证控制系统具有一定的抗干扰性的方法是使系统具有一定的稳定裕度即相角裕度。

由于实际电路中存在杂散电容，其中放大器反向输入端的对地电容对系统的稳定性有较大的影响[10]。如图6所示，采用C5和C6补偿反向端的杂散电容。从系统函数的角度看，即构成超前校正[10]，增加开环系统的开环截止频率，从事增加系统带宽提高响应速度。

PA78有两对相位补偿引脚，通过外部的RC网络对放大器内部的零极点进行补偿。通过PA78的数据表可知，PA78内部的零极点位于高频段。根据控制系统抗噪声能力的需求，配置RC网络使高频段的幅值特性曲线迅速衰减，从而提高系统的抗干扰能力。图6中，R4，C1与R5，C2构成RC补偿网络。

图6 改进后的线性放大电路

此外电路中C3的作用是防止输出信号下降沿的振动引起的干扰；R10起到偏置电阻的作用，将电源电流注入到放大器的输出级，提高PA78的驱动能力。

将PI控制器的参数分别设置为KP=10、KI=0.02；超前校正补偿电容分别为12 pF和220 pF；RC补偿网络为R=10 kΩ、C=22 pF。利用线性放大电路的Spice模型进行仿真得到幅频特性和相频特性曲线如图7所示。从图中观察可得，放大系统的带宽可达100 kHz，从而保证了系统良好的动态特性，同时相角裕度γ>60°使系统具有较高的稳定性（由于PZT的负载电抗特性一般呈容性，所以留有较大的相角裕度十分必要）。

图7 改进的放大电路的幅频和相频特性曲线

4 驱动电源实验结果

实验用压电陶瓷驱动电源的稳压电源采用长峰朝阳电源公司的4NIC?X56ACDC直流电源，输出电压精度≤1%，电压调整率≤0.5%，电压纹波≤1 mV（RMS）、10 mV（P?P）。测量设备采用KEITHLEY 2000 6 1/2 Multimeter。

首先对DAC输出分辨率进行测量，ARM控制器输出持续5 s的阶跃信号，同时在DAC输出端对电压信号进行测量，将测量结果部分显示见图8。图8中显示AD5781的输出电压分辨率可达3.89e-5 V，即38.9 μV。

在模拟电路中，噪声是不可避免的。对于压电驱动电源来说，噪声的等级限制了驱动电源的输出分辨率。图9分别给出经典放大电路和改进后的放大电路的测试噪声。从图中可得通过使用PI控制器和相位补偿元件将压电驱动电源的输出噪声从1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。

图8 DAC分辨率实验图

图9 放大电路噪声图

图10给出了放大电路的输出分辨率，放大电路的分辨率决定了PZT的定位精度，如要实现纳米级的定位精度，驱动电源的分辨率需要达到毫伏级。图10中，输出电压的分辨率可达到1.44 mV。

图10 放大电路分辨率实验图

最后，给出驱动电源电压线性度曲线。线性度能够真实的反映出输出值相对于输入真值的偏差程度[11]。线性度曲线如图11所示。得到拟合直线Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非线性误差为0.024%，能够满足精密定位需求。

5 结 论

本文设计的基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源采用直流放大原理，具有低电路噪声、高分辨率和低输出非线性度等特性，同时驱动电源的带宽可达100 kHz。以上特性使本文设计的压电驱动电源能够应用于纳米级静态定位的需求，由于其性价比高、结构简单，故具有很高的实用价值。

图11 输出电压曲线和非线性度曲线

参考文献

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[11] 费业泰.误差理论与数据处理[M].6版.北京：机械工业出版社，2010.

第6篇：电源电路设计方法范文

1.1传统方法

高温电路的设计的传统方法主要是针对电子器件本身进行的优化设计，即采用耐热设计、降低电子器件的功耗、选择耐热原材料，进而提高电子器件的耐热性。这种方法短期见效快，但是这种方法主要是针对普通高温环境进行的设计，应用范围小，同时如果电子器件长期处于高温条件下，其整体性能不能得到保证。

1.2混合电路方法

混合电路方法主要是通过同时运用现成的集成芯片和薄厚膜技术来设计电路的方法，这种方法下设计的电路性能居于传统电路方法与专门功能设计方法之间。这项技术无论是在功耗方面还是在耐高温方面都由于传统电路设计方法，但是这种方法也存在一个重要的缺点就是设计、应用成本高。

1.3专用功能电路方法

所谓的专用功能电路方法其实就是专门针对集成电路设计的一种特殊的设计方法，这种方法设计的电路耐高温性能最高，针对性、适应性较强，因此这种方法也成为了未来高温电路设计的一个重要方向。

1.4三种高温电路设计方法对比

在三种高温电路设计方法中，专用功能方法下设计的电路具有功耗低，体积小、稳定性高、针对性强、耐热性好的特点，但是这种方法的有一个重要的缺点，即设计研发的成本高，设计周期较长。传统的电路设计方法与专用功能方法恰恰相反，它具有研发成本低，设计周期短的特点。对于混合电路方法来说，它的性能介于上述两种方法之间。因此，我们在选择电路设计方法时，要针对它所处的状况进行选择，比如在普通的温度下，最好采用传统的设计方法，再比如在一些特殊的高温环境下，我们则要采用专门功能方法。

2低功耗设计方法

提高电路耐高温的性能除了采用耐高温的元器件和优化电路结构外，还可以通过降低功耗的方法实现。目前降低功耗的措施主要有降低供电电压、实施降频以及降低负载容抗等。其中最有效降低功耗的方法就是降低负载容抗。

2.1硬件设计方面

2.1.1高温集成芯片具有耐高温、功耗低的特点，所以进行电子器件选择时应该尽量选择集成芯片；

2.1.2较低的工作电压可以较大幅度地提高电源的转化效率，进而减少转化过程产生的多余热量，因此我们应该在确保电路性能的基础上，尽量降低电源电压；3.1.3优化电路设计，精简元器件的数量；

2.1.4在允许的条件下，我们应该做到硬件软件化，用软件代替硬件；

2.1.5软件设计方面

2.1.5.1加大相关软件的开发进度，尽量用软件取代硬件去工作，减低维护、运营成本；

2.1.5.2可以充分利用中断等手段减少电量的损耗；

2.1.5.3通过软件和具体的应用相结合来达到降低能耗的目的。

2.2结语

第7篇：电源电路设计方法范文

关键词:波形发生器 SPCE061A 串行通信

1引言

波形发生器又叫信号发生器,在教学、试验、测控等各个领域都有着十分广泛的应用,而且随着现代电子通讯技术的发展,常常需要高精度,频率可方便调节且应用性强的波形信号发生器。而现有的波形发生器大多为单机操作型,通过按键来控制产生各种波形。在一些特殊的工作环境下(如高温高压,有辐射等),无法进行人工操作,无法满足特殊环境的工作需要。因此需要一种有效的方法来实现波形发生器的远程控制。借助PC机,结合串行通信技术可以用来实现对波形发生器的远程控制。本设计正是研究通过PC机来远程控制由SPCE061A 嵌入式芯片设计的简易数字波形发生器,该波形发生器能产生数字式的三角波、正弦波、锯齿波等频率可调的常用信号,应用于某些特殊的工作环境(如高温高压,有辐射等),给生产生活带来方便。

2 系统方案设计

波形发生器的实现方法通常有以下几种:(1)用分立元件组成的函数发生器,通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试;(2)用集成芯片的函数发生器,可达到较高的频率和产生多种波形信号,但电路较为复杂且不易调试;(3)利用单片集成芯片的函数发生器,能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试;(4)利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器,能产生任意波形并达到很高的频率,但成本较高。

本设计采用第三种方法,直接采用凌阳作为波形发生器。PC机作为远端控制端,通过PC的RS232串行接口与SPCE061A最小系统的串行接口相连,由PC直接控制波形发生器输出波形。其系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

3 系统硬件电路设计

系统硬件电路设计主要包括以下电路:单片机SPCE061A小系统、电源电路、滤波放大电路、键盘电路以及单片机SPCE061A与PC机的通信接口电路。

3.1单片机SPCE061A

SPCE061A[1]嵌入式芯片其内部采用总线结构,把各功能部件模块化地集成在一个芯片里,这样就有效地减少了各功能部件之间的连线,提高了可靠性和抗干扰能力。SPCE061A单片机的通用串行通信接口为标准全双工的通用异步接收器/ 发送器URAT 模块。UART的接收信号Rx发送信号Tx分别是SPCE061A嵌入式芯片的并行I/ O口IOB7和IOB10共用,属于B 口的特殊功能。SPCE061A嵌入式芯片内部集成了两路十位D/ A转换器,因此可以方便的输出电压信号。

3.2系统电源电路设计

SPCE061A内核电压要求为3.3V,而I/O 端口的电压可以选择3.3V 也可以选择5V。所以,可以具有两种工作电压:5V和3.3V。5V供电电压采用LM2575与ILC7660两片芯片构成的电路来产生,5V电压经过一个二极管DN4148进行电源定向,再通过LM1117-3.3进行DC-DC电压转换。在电源模块中通过三个电容进行电源稳压滤波,为单片机系统提供稳定的3.3V电源。电源模块中通过一个LED灯指示电源状态,当电源模块有通电时,LED灯点亮,反之,LED灯熄灭。3.3V电源电路如图2所示.。

图2 3.3V系统电源电路原理图

3.3滤波放大电路设计

滤波器是一种能使有用频率的信号通过而同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置[2]。在工程上,滤波器常被用在信号的处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。由运算放大器和电阻、电容(不含电感)组成的滤波器称为 RC 有源滤波器。滤波器按照所允许通过的信号的频率范围可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。其中,低通滤波器只允许低于某一频率的信号通过,而不允许高于该频率的信号通过。高通滤波器只允许高于某一频率的信号通过而不允许低于该频率的信号通过。带通滤波器只允许某一频率范围内的信号通过而不允许该频率范围以外的信号通过。本设计采用二阶压控电压源低通滤波器,它由两节RC滤波电路和同向放大电路组成,此电路具有元件少、增益稳定和频带宽等特点。其电路原理图如图3所示。

图3 滤波放大电路原理图

3.4通信接口电路设计

虽然PC机与SPCE061A单片机都是采用异步串行通信,但是PC机和单片机的通信却不能够用电缆直接进行连接,原因是PC机RS232串口的电平标准和单片机的TTL电平不一致,PC机的电平是+12V,而单片机一般输入,输出电平都是+(0~5)V。因此单片机和PC机之间的串口通讯必须要有一个RS232/TTL电平转换电路。

4 系统软件设计

图4示出了PC控制界面图[3]。预输出波形栏可以显示输出波形的大概形状;通过波形选择按钮,可以任意选择正弦波、三角波、锯齿波这三种波形;通过频率选择粗调和微调,可以精确设置输出波形频率;串口和波特率栏用于设置单片机与PC机通信模式。

图4 PC机控制界面图

整个波形发生器的软件设计方案如图5所示,采用外部中断二来中断目前所显示波形,以便进入下一波形的编辑和输出,在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。

图5 主程序流程图

本设计波形的具体产生是通过两路DAC来产生的。启动控制程序后,首先进行波形频率选择(粗调频率),波形频率的粗调是根据CPU的频率变换而变换的,SPCE061A单片机的32768Hz的实时时钟经过PLL倍频电路产生系统时钟频率(Fosc),Fosc再经过分频得到CPU时钟频率(CPUCLK)可通过对P_SystemClock单元编程来控制,这就为我们设计提供了丰富的CPU时钟选择。默认的Fosc、CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。我们可以通过对P_SystemClock单元编程完成对系统时钟和CPU时钟频率的定义,改变设置将可提供多种频率选择。但由于SPCE061A芯片本身的性能,所产生波形的频率不会很高。然后选择要输出的波形。而由外部中断一实现的同步频率调节(微调频率),是通过改变抽取点的间隔及延时的改变来实现的。

5结语

在凌阳IDE集成开发环境下编程实现了锯齿波、三角波和正弦波的波形程序,并实现了和PC机远程通信串口程序,以及波形发生器的控制程序。最终能够通过PC机远程控制波形发生器输出锯齿波、三角波和正弦波三种周期性波形,并实现了波形频率和幅度调节功能。

参考文献

[1] 北阳电子公司技资室.凌阳单片机.2001.

[2] 何希才.新型集成电路及其应用实例.北京:北京科技出版社,2002.

第8篇：电源电路设计方法范文

摘要：文章指出叠加直流的HPPMS技术有直流部分占空比较高和不可控制2大缺点，在做沉积薄膜实验时无法提供溅射所需的高功率，导致空比较低，溅射效率稍低的高功率脉冲产生。为了解决问题，需要研制一台电源，并且该电源可以用中频调制脉冲高功率磁控溅射MPP（Modulated pulsed power），普通高功率磁控溅射系统中的直流部分可以用低频脉冲来代替，尽可能减少低频脉冲占空比并且可以确保充分预处理，使高功率脉冲占空比尽可能最大，提高系统的溅射效率。

关键词：调制脉冲；磁控溅射；HPPMS；MPP

近年来，国外发展了HPPMS（高功率脉冲磁控溅射）技术，并且这种技术具备一定高的离化率和很好的薄膜性能，因此在技术领域有一定的影响力。HPPMS的峰值功率高出普通磁控溅射达2个数量级；溅射材料离化率更是高达70%以上。高功率脉冲磁控溅射技术目前在国内外得到了广泛的研究。本文将在HPPMS的基础上设计研制一台基于MPP（Modulatedpulsed power）技术的脉冲电源，其特点是：要想使低频脉冲与高功率脉冲的占空比得到合理的控制必须采用起弧预处理低频脉冲来实现，通过变化电路参数使低频脉冲所占比例最小而高频脉冲最大，并确保可以有效的预处理，从而使电源在实际应用中的工作效率达到最大程度的提高。

1国内的研究现状

现如今，我国现有的高功率脉冲磁控溅射电源有2种：（1）没有经过预处理，而使高功率脉冲信号加为负载。不足之处在于：难以使高功率脉冲信号的峰值功率保持不变，电流过大可能会引起起弧打火；（2）用并联或者串联的形式来设计脉冲电源叠加直流。其缺点是低频脉冲占空大和预处理时间长，但是由于很难控制直流部分占空比，出现高功率脉冲部分（对于金属离子的沉积具有实际意义的部分）占空比相对较低的情况，导致沉积效率在实际应用中也不理想。

2研究现状分析

目前在国内外广泛的研究是高功率脉冲磁控溅射技术，这种技术具有溅射粒子离化率和能够沉积出非常致密且具有高性能薄膜两大优点。成为目前在制造耐蚀和光学及其他各种功能薄膜领域内一种新的突破的。

目前研制高功率脉冲磁控溅射电源的系统的技术有以下2种：（1）具有高功率脉冲峰值和没有预处理两大特点的高功率脉冲电源，这种电源容易产生起弧打火现象并且电压和功率很难被控制；（2）具有不易起弧打火和有稳定的工作状态直流形式的脉冲叠加电源，这种电源靠直流部分来实现起弧预处理，但由于高功率脉冲占空比少于直流部分的占空比，金属离子沉积效率在应用中也相对比较低。

3电源的设计与研究

调制脉冲电源包括主电路、控制电路和保护电路。主电路包括高电压（低频预处理部分）和低电压（磁控溅射部分）2部分，电路结构的模式是直流串联。控制电路可以通过CD4098改变脉冲信号脉宽、峰值密度、峰值电流。保护电路有主回路和功率器件2部分。

3.1主电路设计思路

主电路脉冲信号的产生分为2个步骤：

（1）初始脉冲信号的产生靠驱动电路和斩波电路来完成；（2）在控制电路中，改变脉冲信号脉宽可以依据调整电路参数来控制电路，从而2个不同宽矩形脉冲信号，单稳态触发电路（如CD4098）参数控制电路继续调整，2个宽矩形脉冲被转换为2个尖峰值高频触发脉冲信号。

3.2控制电路设计

初始脉冲、预放电脉冲和主放电脉冲信号的产生需要靠不断改变电路内部的参数来控制电路，从而使各部分脉冲信号可控，控制电路有主放电脉冲宽度设定电路、主放电IGBT保护电路、振荡及预放电脉宽控制电路、电流反馈保护电路等4种。

3.2.1振荡电路

振荡电路被用来控制初始脉冲频率和预放电时长、主放电脉冲频率和脉宽、预放电脉冲频率和脉宽，通过各个CD4098振荡电路对信号进行控制。

3.2.2主放电脉冲宽度的设定

CD4098为下降沿触发需要和预放电脉冲后的主放电脉冲相连接，初始脉冲振荡电路中设定预放电脉冲宽度的触发器10脚（Q端）连接11脚下降并沿触发端，预放电脉冲结束时，10脚（Q端）为下降沿。

3.2.3电流反馈保护电路

为了与设定基准值进行比较，因此用从信号采集电路采集到的反馈信号输入比较器LF353的负输入端得出结论，如果表征电路中电流的反馈信号过小，那么比较器的输出端输出就会为正，电路关断，起到了一定的保护作用。电位器的设定值与比较器输出的电位值相比，如果反馈电位超过设定电位，比较器输出电位就会翻转，再通过CD4098翻转来达到输出负电位，起到保护作用。

3.2.4预放电IGBT驱动电路设计

需要把预放电IGBT电路合成到控制电路板上是因为预放电设计电流值较低（1～10A），电压高达甚至超过500V。通过采用光耦对2部分的电路来进行物理隔离可以使驱动电路与控制电路互不影响和干扰。当光耦后面的电路出现短路或者过流时不会对前级电路造成影响，从而也方便对电路的检查，同时也提高了电路的安全与稳定性能。为了保险起见，采用2个IGBT并联的方式以减少单管的电流，并采用高压光容和其他的方式一起进行保护。

3.2.5主放电IGBT驱动电路设计

本文采用的是基于M57962L的IGBT驱动电路保护设计方案，光电耦合是一种可以用来实现输入与输出的电气隔离的方法，由于隔离电压高达2500V，因此需要配置短路/过载保护电路，以确保IGBT工作更加可靠。

电源输出脉冲信号的波形如图1所示，从该波形可以得出输出脉冲信号是符合设计思路的，说明此设计电路具有一定的可靠性。

第9篇：电源电路设计方法范文

关键词：电源完整性；高速电路；信号完整性；HyperLynx

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-8412(2016)02-226-04

引言

电子元器件朝着微型化、高集成度、多功能化的方向发展，其瞬态切换功率越来越高，工作电压越来越低，噪音裕量变小，相应的PCB板整体电路设计密度更高，速度更快，对电源的要求更加苛刻。在设计复杂程度提高的同时，设计整体PCB整体电路时，势必遇到越来越多影响电源稳定性的各种干扰因素，且目前的信号完整性仿真都是建立在电源系统绝对稳定基础之上的。所以在互连设计时，进行电源完整性分析已成为必然。目前支持仿真的软件有很多，本文主要利用Mentor公司的HyperLynx进行仿真设计。

1电源完整性分析

电源完整性分析的主要目标就是能够给芯片电路提供干净的电源，消除电源噪声对芯片输出信号的影响。电源噪声对芯片的影响，会引起输出信号的逻辑错误或者产生时序问题。此外，电源地网络和信号网络不是独立的，而是紧紧耦合在一起的。所以电源地的噪声还会通过耦合影响信号线，或者辐射到外面，会产生EMI、EMC的问题等等[1]。一个电源供给系统（PDS）由电压调整器VRM、BULK电容、高频退耦电容、电源地平面四个对象构成[2]。一个理想的电源系统其等效阻抗应该为零，即在平面任何地方的电位应该保持稳定不变的，但是在实际运用中存在很大的噪声干扰，甚至有可能影响系统的正常工作。因此电源完整性分析的核心就是设计整个电源供给网络或者其中的一部分，在感兴趣的频率范围内降低整个网络的阻抗，使得电源地网络产生的噪声最小，而电源地网络设计一个主要参数就是目标阻抗，它的定义为：其中Power_Supply_Voltage为电源网络的供电电压，Allowed_Ripple为该网络允许的最大纹波，Current为通过的电流值。当前解决电源完整性首先要合理设计PCB叠层，在电源层和地层大面积铺铜，提供低阻抗的路径。对于由于芯片本身内部引起的电源问题最有效的途径就是合理的布置去耦电容[3]。因此解决电源完整性问题的关键应该是选择合适的电容、在合理的位置摆放这些电容，使PDS阻抗在系统的工作频率范围内小于目标阻抗。

2仿真分析流程

2.1系统简介

以目前设计的一高速采集系统为例来详细阐述仿真分析的流程。该系统采用高速ADC、高端FPGA以及高速光纤模块为硬件平台来实现数据的采集传输。系统功能框图如图1所示。

2.2电源完整性仿真

运用HyperLynx内嵌的功能模块PI来进行电源完整性仿真[4]。PI模块仿真方式分为集总参数仿真和分布参数仿真。集总参数仿真即把整个电源平面看成一个集成点，而分布参数仿真采用频点扫描，可选择要仿真的管脚，看管脚之间的交互影响。一般我们在进行电源Net仿真时，选择集总参数对整个网络进行阻抗分析更加有效。集总参数仿真也可导出到预分析环境中进行增减电容，替换电容，改变安装方式，改变叠层等What-If分析方法来进行该供电网络的PCB优化设计。首先设置板级的分析数据库，将PCB板图设计数据直接读入，确定板材材料，明确PCB叠层关系，设置各电源网络的直流电压，导入去耦电容模型或设置去耦电容参数包括ESR和ESL。根据设计要求确定电源平面的噪声容限，一般按照电源网络的5%来定义，最大动态电流一般按照芯片工作最大电流的50%来计算要仿真的电源网络目标阻抗。先对FPGA中关键的内核电压进行仿真。通常用钽电容来进行板级低频段去耦，可以用几个或多个电容并联以减小等效串联电感。在高频段，把去耦的频率范围分成3到4个频段。在本系统中FPGA实际工作频率为300MHz，在低频段选择多个470uf的钽电容并联，然后高频段要考虑利用多个陶瓷小电容并联简单有效的减小阻抗，同时容值间隔不能太大，要有效控制反谐振点阻抗的幅度。通过计算，我们可以选择2.2uf和0.1uf的电容组合为该电源网络高频段进行去耦设计。图2为FPGA内核电压网络频率—目标阻抗曲线图，从图中可以在为300MHz时，最大的阻抗为0.071124，即纹波电压最大为71mv。在实际设计时允许阻抗在目标阻抗线上一点，因为仿真的时候没有考虑芯片本身内部的滤波设计。因此可以看出电容设计基本上是可以满足阻抗设计要求的。同时还可对电源平面可进行压降和电流密度的仿真，防止器件出现失效过大的电压降，导致器件逻辑出错；或因过高的电流密度导致PCB损坏。从图3可以看出，该电源网络最大压降为0.4mv，表层最高电流密度为14.7A/mm2，是能够满足设计要求的。

2.3信号完整性仿真

根据上一章节对电源完整性仿真的结果，同时可以对主要网络的信号完整性进行仿真，从而更直接的验证电源完整性设计的合理性。对于本系统电路来说，由于要实现带宽400MHz的中频采样，后期传输速率很大，因此要着重关注光纤数据的传输。选取其中一对光纤输出差分线，导入到前仿真中，然后提取过孔的S参数模型，如图4所示。图5为传输速度为8Gbps的数据传输眼图仿真结果，眼图过渡良好，眼部充分张开，说明接收器侧的FPGA可以轻松地解读数据，能够很好的实现8Gbps的数据传输。

3实际测试结果

在本系统实际测试中，运用光缆实现测试数据自回环，通过计算机端的FPGA逻辑分析软件Vivado来观察光模块的工作状态。测试结果如图6所示，可以看出光模块可以很好的实现8Gsps的数据传输，无误码出现。

4结束语

本文简要的介绍了利用电路仿真工具进行电源完整性以及信号完整性仿真的方法和流程，并结合项目中的电路设计进行仿真，并对结果进行了验证。实践证明：通过软件对电路PCB板进行电源完整性以及关键信号线进行仿真，可以有效的缩短设计的周期，降低设计的难度，提高设计的可靠性。

参考文献

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