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一、抑制电源的纹波
电源纹波的产生
我们常见的电源有线性电源和开关电源，它们输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于滤波不干净，直流电平之上就会附着包含周期性与随机性成分的杂波信号，这就产生了纹波。在额定输出电压、电流的情况下，输出直流电压中的交流电压的峰值就是通常所说的纹波电压。纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕着输出的直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和振幅并不是定值，而是随着时间变化，并且不同电源的纹波波形也不一样。
纹波的危害
一般来说纹波是有百害而无一利的，纹波的危害主要有以下几点：
- 电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，降低电源的使用效率；
- 较高的纹波可能会产生浪涌电压或电流，从而导致电气设备运行不正常或加速设备老化；
- 在数字电路中纹波会干扰电路逻辑关系；
- 纹波还会给通信、测量和计量仪器、仪表带来噪音干扰，破坏信号的正常测量、计量，甚至损坏设备。
所以在制作电源的时候，我们都要考虑将纹波降低到百分之几以下，对纹波要求高的设备要考虑把纹波降低到更小。
电源纹波的测量方法通常分为两大类，一类是单独电源的鉴定，另一类是产品的调试测量。
在电源行业和电源用户对电源鉴定时，要求选择在室内（20℃左右）进行，湿度应小于80%，周围对测量有影响的机械震动及电磁干扰最小，标准仪器与被检电源应在以上的测试环境下放置24小时以上。
对于纯电源来讲，测量电源纹波时，要求在加载时测量，所加负载要使输出电流大于额定输出电流的80%以上。
对于低噪声的纯阻性负载或电子负载，还要选择对应的测量标准。不同的标准就会产生不同的测量结果。
纹波电压可以用绝对量表示，也可用相对量来表示。一般用纹波电压与直流输出电压的比例来评价直流电源的滤波性能，即纹波系数。纹波系数作为评价直流电源的一个重要指标，其计算方法为纹波电压的有效值与直流输出电压的百分比。
电源纹波的测量
测量电源纹波一般采用示波器来测量，常用的有一下三种测量方法：
1） 靠连法
使用带有地线环的示波器探头，将探针直接接触正输出的管脚，线环直接接触负输出的管脚，这是由于使得环路尽量短，这样从示波器中读出的峰值为输出线上的纹波与噪声。如下图
2） 直接法
将地线环直接与负输出的管脚连接，利用探头接地环进行输出端测试。
3） 绞连法
输出管脚接双绞线后接电容，在电容两端用示波器测量。
测量纹波时候，需要注意的是：要清楚纹波的带宽上限，纹波为低频噪声，所以一般使用不超过纹波带宽上限太多的示波器。
在测量时，要先打开示波器的带宽限制功能，把带宽限制在20MHz，直接用探头的屏蔽地和输出地连接，减少因地线过长产生的环路干扰。
在探头接入点的位置并联一个较小的瓷片电容和一个小电解电容，滤除外界干扰信号防止进入示波器。
电源纹波抑制方法
电源输出纹波主要来源于五个方面：低频输入纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、闭环调节控制引起的纹波噪声。
抑制这些纹波的通常方法是：加大滤波电路中电容容量、采用LC滤波电路、采用多级滤波电路、以线性电源代替开关电源、合理布线等。但根据它的分类，有针对性的采取措施往往会取得事半功倍的效果。
1、高频纹波的抑制
高频纹波噪声多来源于高频功率变换电路。在高频功率变换电路中，输入直流电压通过高频功率器件进行变换后进行整流滤波而实现的稳压输出中，一般会含有与开关工作频率相同频率的高频纹波，其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关，设计中尽量提高功率变换器的工作频率，可以减少对高频开关纹波的滤波要求。
2、低频纹波的抑制
低频纹波的大小与输出电路中的滤波电容大小有关。电容的容量不能无限制地增加，不可避免的会造成输出低频纹波的残留。交流纹波经过DC/DC变换电路进行衰减后输出，属于低频噪声范围，其大小由控制系统的增益和DC/DC变换电路决定。由于电流型和电压型控制DC/DC变换电路的纹波抑制能力相对均不高且他们的输出端低频交流纹波较大。所以必须对低频电源纹波采取滤波措施实现电源的低纹波输出。
有的电源来说，可增大DC/DC变换器闭环增益电路和采用前级预稳压电路可以增强纹波的抑制效果、可以通过改变整流滤波器的电容量以及调节反馈回路的参数来实现对低频纹波的抑制。
3、共模纹波的抑制
共模纹波噪声一般出现在开关电源，当开关电源的矩形波电压作用于功率器件时，与功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间的寄生电容和导线中存在寄生电感相互作用，产生共模纹波噪声。对于共模纹波噪声抑制的方法有：
1） 减小控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并在输出端加共模抑制电感及电容；
2） 利用EMI滤波器可以有效的抑制共模纹波的干扰；
3） 降低开关毛刺幅度。
4、闭环控制环路纹波的抑制
闭环控制环路纹波的产生原因一般是环路中的参数设置不适当，当输出端存在一定波动时，反馈网络把输出端的波动电压反馈到调节器回路，致使调节器产生自激响应，从而产生附加纹波。
抑制方法主要有：抑制调节器自激响应、合理选择环路的放大倍数、调节器稳定性、电源输出端接LDO滤波，这是减少纹波和噪声最有效的方法。
二、防反接常用单元电路
对于平常日用的一些产品，产品在进行设计时就会考虑这个问题，顾客只是简单的利用插头进行电源的连接，所以一般采用反插错接头，这是种简单，低价而有效的方法。
但是，对于产品处于工厂生产阶段，可能不便采用防差错接头，这可能就会造成由于生产人员的疏忽造成反接，带来损失。所以给电路增加防接反电路有时还是有必要的，尽管增加了成本。
下面就说说常用的防反接电路：
01
最简单的在电路中串入一只二极管
优点：
电路简单，成本较低。适用于小电流，对成本要求比较严的产品。
缺点：
由于二极管的PN结在导通时，存在一个压降，一般在0.7V以下。这个压降就导致这种电路不适合应用在电流较大的电路中，如果电路有10A的电流，那么二极管的功耗就是0.7*10=7W，发热量还是很可观的。在结构紧凑空间有限的产品中，对产品的稳定性或人的使用感受上影响还是比较大的。
02
对于上面上面提到的二极管的压降问题，有没有办法克服呢？看下面的电路。
上面的防接反电路采用了一个保险丝和一个反向并联的二极管，电源极性正确，电路正常工作时，由于负载的存在电流较小，二极管处于反向阻断状态，保险丝不会被熔断。
当电源接反时，二极管导通，此时的电流比较大，就会将保险丝熔断，从而切断电源的供给，起到保护负载的作用。
优点：
保险丝的压降很小，不存在发热问题。成本不高。
缺点：
一旦接反需要更换保险丝，操作比较麻烦。
03
正接反接都可正常工作的电路：
优点：
输入端无论怎样接，电路都可以正常工作。
缺点：
存在两个二极管的压降。适用于小电流电路。
04
N沟道增强型场效应管防接反电路。
由场效应管制作工艺决定了，场效应管的导通电阻比较小。是现在很常用的开关器件，特别是在大功率的场合。以TO-252封装的IRFR1205为例，其主要参数如下：Vdss=55V，Id=44A，Rds=0.027欧姆；可以看到其导通电阻只有27毫欧。
下图就是一个用N沟道场效应管构成的防接反电路
这个电路的最大一个特点就是场效应管的D极和S极的接法。通常我们在使用N沟道的增强型的MOS管时，一般是电流由D极进入而从S极流出。应用在这个电路中时则正好相反。
曾经在一个论坛中看到过这个电路，发布这个电路的楼主被众多网友痛批。说是DS之间存在一个二极管根本没法实现。楼主没有注明场效应管的管脚名称，由于存在一个应用场效应管的惯性思维，导致楼主蒙冤。其实场效应管只要在G和S极之间建立一个合适的电压就会完全导通。导通之后D和S之间就像是一个开关闭合了，电流是从D到S或S到D都一样的电阻。
在电源极性正确时，电流起始时通过场效应管的稳压管导通，S极电压接近0V。两个电阻分压后，为G提供电压，使场效应管导通，因为其导通阻值很小，就把场效应管内部的二极管给替代了。
电源反接时，场效应管内的二极管未到击穿电压不导通。分压电阻无电流流过无法提供G极电压，也不导通。从而起到保护作用。
对于电路中并联在分压电阻上的稳压二极管，因为场效应管的输入电阻是很高的，是一个压控型器件，G极电压要控制在20V内，过高的电压脉冲会导致G极的击穿，这个稳压二极管就是起一个保护场效应管防止击穿的作用。
对于并联在分压电阻上的电容，有一个软启动的作用。在电流开始流过的瞬间，电容充电，G极的电压是逐步建立起来的。
对于并联在场效应管D与S之间的阻容串联电路，我感觉还是值得商榷的。阻容串联电路一般用作脉冲吸收或延时。用在这里要视负载的情况而定，加了或许反而不好。毕竟这会导致在电源在反接的时候会有一个短暂的导通脉冲。
也可以用P沟道的场效应管，只是要将器件串在正极的输入端。这里不再描述。
三、皮尔斯振荡器电路原理介绍
本文介绍皮尔斯振荡器的电路工作原理。
什么是皮尔斯（Pierce）振荡器
皮尔斯振荡器是石英晶体振荡器最常见的设计之一，皮尔斯振荡器在设计上与之前的 Colpitts 振荡器非常相似，非常适合使用晶体作为其反馈电路的一部分来实现晶体振荡器电路。
与标准振荡器相比的成本、尺寸、复杂性和功率，皮尔斯振荡器是在大多数嵌入式解决方案和设备中被广泛首选，以产生稳定的频率振荡。
一个简单的皮尔斯振荡器具有以下组件，如数字反相器、电阻、两个电容和一个石英晶体。
皮尔斯振荡器电路如何工作
下图显示了简单的皮尔斯振荡器电路图片，其中 X1 为晶振，R1 为反馈电阻，U1为数字反相器，C1、C2为并联电容，晶体 X1 与 C1 和 C2 是并联模式，工作在电感区域，这称为平行晶体。
上图是皮尔斯振荡器电路图片。
反馈电阻 R1 是通过从逆变器的输出对逆变器输入电容充电来制成线性逆变器，如果逆变器是理想的，则具有无限的输入阻抗和零输出阻抗值。这样，输入和输出电压将相等。因此逆变器工作在过渡区。
下图展示了皮尔斯振荡器电路简化电路图。逆变器 U1 在环路中提供 180° 相移。电容 C1 和 C2 以及晶体 X1 一起为环路提供额外的 180° 相移，以满足振荡的相移标准，通常选择 C1 和 C2 值相等。
上图是皮尔斯振荡器电路图片。
为了在谐振频率下产生振荡，振荡器电路必须满足两个条件：1、环路增益的幅度值必须为单位；2、环路周围的相移应为 360° 或 0°。
如果振荡器满足上述两个条件，那么只有它们才能成为有价值的振荡器。这里，该振荡器通过电路的环路和反相器的使用来满足上述两个条件。
皮尔斯振荡器电路原理分析案例1
皮尔斯振荡器主要是一个串联谐振调谐电路（与 Colpitts 振荡器的并联谐振电路不同），它使用 JFET 作为其主要放大设备，因为 FET 提供非常高的输入阻抗，晶体通过电容 C1 连接在漏极和栅极之间，如下图所示。
上图，皮尔斯振荡器电路图片。
在这个简单的电路中，晶体决定振荡频率并在其串联谐振频率下工作，ƒs 在输出和输入之间提供低阻抗路径。共振时有 180° 的相移，使反馈为正，输出正弦波的幅度被限制在漏极端子的最大电压范围内。
电阻 R1 控制反馈量和晶体驱动量，而射频扼流圈 RFC 两端的电压在每个周期内反转。大多数数字时钟、手表和计时器都使用某种形式的皮尔斯振荡器，因为它可以使用最少的组件来实现。
皮尔斯振荡器电路原理分析案例2
以下电路图显示了晶体管皮尔斯晶体振荡器电路图片，在这个电路中，晶振作为一个串联元件连接在从集电极到基极的反馈路径中。
上图，皮尔斯振荡器电路图片。
电阻R 1、R 2和R E提供了一个分压器稳定的直流偏置电路。电容 Ce 提供发射极电阻的交流旁路，而 RFC（射频扼流圈）线圈提供直流偏置，同时使电源线上的任何交流信号不影响输出信号。
耦合电容 C 在电路工作频率下的阻抗可以忽略不计，但它会阻止集电极和基极之间的任何直流电。
皮尔斯振荡器电路原理分析案例3
下图显示了数字处理器设计中常用的皮尔斯振荡器电路图，在这种类型的晶体振荡器设计中，滤波器由晶体的等效模型和外部负载电容组成。
振荡器运行的确切频率取决于振荡器电路内的环路相位角偏移，相位角的变化将导致输出频率的变化。
上图，皮尔斯振荡器电路图片。
皮尔斯振荡器电路原理分析案例4
下图所示电路通常用于数字设计，本质上它是一个模拟电路。像每个振荡电路一样，当相位为 0 或 360° 时，我们必须在要求的频率下获得 > 1 的增益，使电路不断地自我激励。
为了保证使用 12 到 19 MHz 之间的晶体取得成功，使用 4 和 4.4 MHz 晶体时，不得不干扰电路（通过摆动插座中的晶体来引入一些反弹）以使电路振荡。
设计上面皮尔斯振荡器电路需要用到的一些组件：
- 一个 100 µH 电感
- 一个 J112 JFET
- 任何 1 nF 电容
- 任何 10 MΩ 电阻
- 用于电源、输出和放置不同晶体的剩余母头。
- 晶振
- 剩余的穿孔板
- 3 V 和 18 V 之间的直流电源，单个 CR 2032 纽扣电池即可。或一对 AA(A)、9 V 电池。
皮尔斯振荡器电路原理分析案例5
下图电路是一个皮尔斯振荡器电路，可将3 2.768 kHz晶体的振荡转换为数字方波，该方波可馈入（两个）UNO 外部中断引脚中的一个。
需要晶振、12 ρF 负载电容和 330 kΩ 固定电阻。
在面包板上构建皮尔斯振荡器。
皮尔斯振荡器的应用
- 适用于嵌入式解决方案和锁相环 (PLL) 设备。
- 在麦克风中，语音控制设备和在这些设备中将声能转换为电能的设备是首选，因为具有出色的频率稳定性因子。
- 由于其低制造成本，可用于大多数消费电子应用。
四、DCDC电源PCB布局的这注意事项
在DCDC电源电路中，PCB的布局对电路功能的实现和良好的各项指标来说都十分重要。本文以buck电路为例，简单分析一下如何进行合理PCB layout布局以及设计中的注意事项。
首先，以最简单的BUCK电路拓扑为例，下图（1-a）和（1-b）中分别标明了在上管开通和关断时刻电流的走向，即功率回路部分。这部分电路负责给用户负载供电，承受的功率较大。
结合图（1-c）中Q1和Q2的电流波形，不难发现，由于电感的存在，后半部分电路中不会存在一个较高的电流变化趋势，只有在两个开关管的部分会出现高电流转换速率。在PCB布线时需要特别注意，尽可能减小这一快速变化的环节的面积，来减少对其他部分的干扰。随着集成工艺的进步，目前大部分电源芯片都将上下管集成到了芯片的内部。
了解了高电流转换速率部分后，让我们回到整个功率回路布局来看。以MPS的非常受欢迎的MPQ8633A（B）系列产品为例，这是一款完全集成的高频同步降压转换器可以实现高达12-20A的输出电流，其原理图如下，其功率回路（绿色标注）中包含输入电容，电感以及输出电容等器件。
功率回路也需要做到尽可能地占用较小的环路面积，来减少噪声的发射以及回路上的寄生参数。推荐的PCB布局如图（3）所示。注意点如下：
- 输入电容就近放在芯片的输入Vin 和功率地PGND ，减少寄生电感的存在，因为输入电流不连续，寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响。VIN 的管脚旁边至少各有1 个去耦电容 ，用来滤除来自电源输入端的交流噪声和来自芯片内部（倒灌）的电源噪声，同时也为芯片储能。且电容需要紧挨管脚，两者的间距需要小于40mil 。
- 功率回路尽可能的短粗，保持较小的环路面积 ，减少噪声的发射。
- SW 点是噪声源，保证电流的同时保持尽量小的面积 ，远离敏感的易受干扰的位置，例如FB等。
铺铜面积和过孔数量会影响到PCB 的通流能力和散热。由于PCB的载流能力与PCB板材、板厚、导线宽厚度以及温升相关，较为复杂，可以通过IPC-2152标准来进行准确的查找和计算。一般，对于MPQ8633A（B）的PCB来说，需要在VIN（至少打6个过孔）和PGND（至少打9个过孔）处多打过孔，这两处的铺铜应最大化来减小寄生阻抗。SW处的铺铜也需要加宽，以免出现限流的情况，导致工作异常。
讨论完功率回路部分，转眼看芯片逻辑电路部分，这部分的PCB布局也是有所讲究的。
结合图（3）和（4）可总结注意点如下：
1.将BST 电容放置在尽可能靠近BST 和SW 的位置，使用20mil 或更宽来布线路径。
2.FB 电阻连接到FB 管脚尽可能短， 减少噪声的耦合。这是芯片最敏感，最容易受干扰的部分，是引起系统不稳定的十分常见原因。需要将其远离噪声源，例如：SW点，电感，二极管等（在非同步buck中，MPQ8633外围无二极管）。如图，RFF、CFF、RFB1、RFB2都尽量靠近芯片摆放。
3.VCC 电容应就近放置在芯片的VCC 管脚和芯片的信号地之间，尽量在一层，没有过孔 。对于信号地（AGND）和功率地（PGND）在一个管脚的芯片，同样就近和该管脚连接。
4.AGND和PGND需要进行单点连接。
5.将SS电容靠近TRK/REF至RGND。
6.将SENSE电容置于输出SENSE线之间，平行走线。
7.PCB layout 中走线和铺铜都尽量避免90 °直角，走45°或者圆弧角，特别是在高频信号传输线部分。避免由传输线宽带来的反射和传输信号的失真。
最后，为了方便大家了解自己画的PCB是否合理，可以参考以下简易表格做一个自评：
以上表格适用于简单的buck、boost电路的PCB设计，多用单层或者双层板即可。
