发表了主题帖： 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——08 手机基带知识

硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计 ——手机基带知识简介           手机基带电路都包含哪些？当前智能手机阶段，手机基带主要包含CPU最小系统、存储电路、音频电路、电源电路、充电电路、显示电路、相机电路、传感器电路等。简而言之，除了天线和射频通信系统外，其余电路都属于基带。基带框图如图1所示。 图 1         屏幕/TP主要包含显示和触控两部分，触控和屏幕已经集成到一起，是用户和手机交互的最直接途径，手机屏幕主要使用LCD屏和OLED屏。其主要通信协议是MIPI协议和IIC/SPI，MIPI用于图像信号传输，IIC/SPI用于控制IC的寄存器配置以及TP信号传输。         相机主要用于视频拍照，主要包含前摄、后主摄、超广角、潜望、短焦等，根据不同使用场景搭配。与屏幕通信协议类似，其主要通信协议是MIPI协议和IIC/SPI，MIPI用于图像信号传输，IIC/SPI用于控制IC的寄存器配置，如摄像头马达，IO口状态等。         Mode就是传统的手机基带，用于数字信号处理和射频信号的调制解调，现在已经集成到CPU中，只有少部分低端CPU还在使用外挂modem。         ROM和RAM则是手机的存储单元，RAM是动态随机存储器，用于缓存CPU处理的数据，当前手机设计通常使用LPDDR4或者LPDDR5。例如手机在运行王者荣耀时，会在启动时将王者荣耀的运行文件数据缓存到DDR中，CPU通过调用DDR中的缓存数据，以快速响应用户。当用户关闭王者荣耀时，DDR会自动将王者荣耀缓存数据清除。RAM则是固态存储器，用于存储用户数据。         在早期，SIM/SD卡是分开的，后来各大手机厂商为了节省空间，逐渐将SIM卡和SD卡卡槽合二为一。随着RAM逐渐增大，SD卡卡槽也逐渐被取消，只有SIM卡卡槽。 随着智能手机发展越来越快，用户对手机振感要求越来越高，随之产生了转子马达和线性马达。转子马达主要用于低端机型，其转速一般分布在11000~19000之间。线性马达一般被应用到高端智能手机产品上，一般有Z轴线性马达、XY轴线性马达，根据不同产品进行搭配。         音频模块主要包含听筒、扬声器、MIC、耳机等，这些电路主要是模拟信号，对干扰非常敏感，在PCB走线时需要立体包地独立下地。音频模块电路在电路上还包含SMART PA、Codec等信号处理单元，主要通信协议有IIS、IIC等。         传感器模块主要包含红外靠近传感器、光敏传感器、加速度计、陀螺仪、电子罗盘等。红外靠近传感器主要作用是通话亮灭屏和防误触，光敏传感器用于调节屏幕亮度。陀螺仪和加速度计可以检测手机姿态，用于计步、防误触和游戏姿势识别，电子罗盘则是判断方向，主要用于地图导航。         电源模块是整个手机系统的能量来源，现在的智能手机大多采用集成的PMIC分级给最小系统、射频通信系统和外设供电。充电电路则是给手机的锂离子电池充电。当手机插入USB充电线时，系统通过判断充电器类型确定充电电压和电流。随着智能手机发展，充电速度越来越快，当前充电方案有10W、22.5W、33W、44W、66W、80W、120W、200W等。  

发表了主题帖： 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——07 信号完整性

硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计——信号完整性知识简介           信号完整性是指信号在传输路径上的质量，传输路径可以是普通的金属线，可以是光学器件，也可以是其他媒质。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是系统设计中多种因素共同引起的。那么，信号完整性和哪些知识有关呢？ 1、传输线         说起传输线，顾名思义可以理解为信号传输的线路。传输线相关的主要特征词有频率、带宽、环路电感、参考平面、微状线和带状线、特征阻抗等。频率和带宽相信大家很熟悉，不做过多介绍。         环路电感是和信号路径、回流路径相关的概念，通俗来讲就是信号从IC的Out脚输出，经过负载回到IC的GND脚，形成一个回流路径。在信号传输过程中，线路上面会存在寄生电感，包含自感和互感形成的电感，信号回流一般会选择最小阻抗路径。         参考平面，这是一个与传输线相对应的概念。信号存在传输线，那么必然存在参考路径或者回流路径，就像电压概念对应的参考GND一样。在PCB走线中，一般把一个完整的平面用于参考路径，我们习惯称为参考平面，在信号要求比较高的场合，信号会有上下两个参考平面，甚至左右包含参考平面，有时候也称为立体包地。这些参考平面构成良好的传输线模型，可以控制阻抗、避免反射、较少损耗，提高信号传输效率，同时起到良好的屏蔽作用。         微带线和带状线，通常认为走在表层是微带线，走在内层是带状线，这不够严谨。实际上，两种传输线通常使用参考平面平面来区分，微带线只有一个参考平面，带状线有2个参考平面。         特征阻抗是指传输线上存在的电阻、寄生电感、寄生电容的总阻抗。信号在传输线中是一步步往前走的，电磁场建立需要一个过程，那么信号线与信号线之间、信号线与参考平面之间存在寄生电容和寄生电感。我们通常所说的阻抗控制，就是为了让特征阻抗满足目标阻抗，尽可能让传输线环境均匀统一，减少反射，实现最佳功率传输，减少干扰，这个阻抗就是指特征阻抗。举个例子，在户外骑行时，路面越平坦，我们可以骑行越快。一旦路面有个小坑或者大角度拐弯，我们的速度就会降下来，如果有大坑或者断头路，就会被迫减速或中止。同样的道理，对于高速信号传输，完整的参考平面、良好的阻抗控制、最佳功率传输是必须的。 2、信号反射         信号在传播过程中，传输线阻抗突然发生变化时，就会有信号发射发生。信号发射就会有反射系数存在，信号发射系数=（Z2-Z1）/（Z2+Z1），Z1为当前阻抗，Z2为新传输线阻抗。一般反射系数存在三种情况，正数表示正反射，负数表示负反射，零表示无反射。当Z2无穷大时，阻抗无穷大，表示开路，反射系数为1，发生全反射。当Z2=Z1时，表示阻抗未突变，通道阻抗理想且连续。当Z2=0时，表示阻抗突变为0，发生短路，反射系数为-1。         前面介绍了信号反射与传输线特征阻抗有关，那么阻抗有哪些参数有关？线宽W，线宽增大，阻抗减小，反之阻抗增加。介质厚度h，厚度增加，单位长度电感增加，电容减小，最终导致特征阻抗变大。介电常数，它会导致电容变大，特征阻抗变小。铜箔厚度，它会导致电感减小，电容增加，从而导致特征阻抗减小。 3、信号的串扰来自哪里？         通常，我们在PCB设计时，走线间距需要遵守3W原则，以抑制70%以上的干扰。这是信号线之间存在串扰，两条走线很近的PCB信号传输线，一条信号线可能会导致另外一条产生噪声。         信号串扰通常分为电容耦合串扰和电感耦合串扰。         电容耦合，PCB上走线与走线之间、走线与参考平面之间都会形成寄生电容，其中一条走线有信号经过时会产生变化的电场，这个电场会通过电容作用到另外一条走线，形成串扰噪声。         电感耦合，PCB走线与走线之间存在互感，其中一条走线有信号经过，会产生变化的磁场，这个磁场会作用于另外一条走线，从而产生串扰噪声。  

回复了主题帖： 【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——007 BUCK和BOOST仿真分享

BUCK和BOOST仿真源文件。

发表了主题帖： 【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——007 BUCK和BOOST仿真分享

BUCK和BOOST仿真电路分享           经过前面多个章节介绍，BUCK和BOOST电路的原理已经分析清楚。接下来，将使用multisim对BUCK和BOOST进行仿真分析。         BUCK电路仿真分析，此次采用二极管做续流元件。输入10V直流电压，经过BUCK转换器后，输出电压与Q1的开关占空比和D1的压降有关。BUCK仿真电路如图1所示。 图 1         BUCK仿真结果如图2所示。Q1的开关占空比为50%，D1的压降为 0.5V，BUCK输出电压为4.41V。在电感左侧，电压波形为方波，电感右侧电压为类正弦波，该波形的峰峰值就是电源纹波。 图 2         BOOST电路仿真分析：与BUCK仿真类似，采用二极管做续流元件。 图 3         BOOST仿真结果如图4所示。输入电压10V，PWM占空比50%，理论应该输出20V，实际由于元器件的各种寄生参数，最终输出19.05V，与理论接近。 图 4  

发表了主题帖： 【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——006 小信号建模讨论

小信号建模讨论           开关电源的小信号模型主要推导了开关电源的平均模型，并描述了不同的平均模型，开关电源的各种平均模型，可以分为态空间平均（SSA）、电压模式、电流模式、寄生元件效应、在边界导通模式下的PWM模型、PWM开关模型的电路集以及其他开关电源的平均模型等。         态空间平均模型（SSA）提供了一种推导变换器传输函数的方法，这是一种很长很复杂的过程。它主要针对整个变换器的工作原理进行分析，其优点时对变换器转换原理剖析叫清晰，涉及到每个电子元器件及其寄生参数。但缺点也很明显，当电路中有电子元器件变化时，如加入新的滤波元件，就需要根据新的电路重新推导。变换器传输函数推导过程中，工程师一般更注重大信号模型，往往会忽略小信号模型。         从变化器的原理分析可知，电路本身导通和截止两种状态，并且都包含线性网络。但电路在转换过程中存在非连续性（如MOS管开关时电流波形存在非连续性），这种非连续性就需要进行平滑。那么如何平滑这种非连续性？工程师们常常使用波形平均的方法（LC滤波），对电路建立大信号平均模型。与大信号模型对应的所示小信号模式，小信号模型常常被忽略，但它关系到变换器系统的稳定性，如输出电压纹波、线性调整率、频率响应以及EMC等。因此，研究变换器的小信号模型，有利于通过求得系统频率响应曲线，进一步对变换器做补偿。         变换器非线性的根源来自哪里？那必然是开关晶体管和二极管。为了将非线性器件与小信号模型联系起来，作者引入了PWM 开关。在变换器中，存在不同的控制方法，如电压模式和电流模式。在此前的几篇文章中，有重点讲过，电压模式无需检测电流，电路拓扑简单，但对输入电压抑制能力差，难以使变换器稳定工作在CCM模式。而电流模式需要始终检测电感电流，并按照工作检测要求调整电流值。以上两种方法都需要特殊的PWM开关模型，使变换器在CCM和DCM之间变换。         此外，工程们还常常会关注到电路元器件的寄生元器件效应，如ESR、ESRL、ESC等。这些参数常常会对变换器的频率响应产生影响、乃至系统稳定性。在讨论系统稳定性时，零点和极点在复平面的位置会非常重要。在求取零点和极点之前，需要先取得系统的环路增益表达式。当环路增益表达式的分子为零时，所对应的频率点为零点位置，有几个根就有几个零点。同理，当环路增益表达式的分母为零时，所对应频率点位置为极点。  

发表了主题帖： 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——06 LDO应用

硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计 ——线性稳压电源LDO的应用           在上一节中，我们介绍了NMOS LDO和PMOS LDO以及他们的区别，同时阐述了LDO的压差、效率、PSRR、线性调整率、负载调整率、静态功耗、结温等参数。那么，在实际电路设计中，LDO应该如何运用？ 1、LDO的压差如何选择？PCB应该如何走线？         在电路设计过程中，对压差存在影响的因素主要有两点：LDO自身压差范围和PCB走线阻抗。LDO自身压差范围，这个在IC内部已经确定，在数据手册中压差已经标定。因此，工程师需要在电路设计中根据需求选择合适的LDO。那么PCB走线阻抗应该如何控制？它对压差存在多少影响？简单来讲，PCB走线阻抗将对LDO前级电源输出电压值和LDO到负载的电压值产生影响。如果PCB走线又细又长，那么走线上的电阻R将变大，线路还是那个的电压跌落将变大，这就会影响LDO的稳定性、PSRR、线性调整率和负载调整率。因此，在PCB走线设计时，我们需要减小走线阻抗，降低线路损耗。 2、为什么部分LDO输出会并联电阻到地？         在日常设计过程中，我们常常会发现部分厂家的LDO需要输出电阻到地，才能确保电源正常工作。这主要时和LDO和负载的工作模式有关，两者都存在低功耗模式和正常工作模式。LDO在正常模式和低功耗模式之间切换存在一个电流阈值，当负载处于正常工作模式时，LDO输出大电流处于正常模式，同样的负载和电源也会一起进入到低功耗模式。但是，当负载突然从低功耗模式切换到正常模式时，LDO切换模式需要时间，这种响应不足可能导致系统发生异常。因此，工程师们常常在LDO输出并联电阻到地，以保证LDO工作在正常模式下，不会进入到低功耗模式。这种方式就会带来功耗变大，现在大多数高通的LDO内部可以通过寄存器配置将LDO设置为正常工作模式，而非低功耗模式。 3、是什么原因导致LDO输出不稳定？         有些工程师在设计LDO电路时，发现输出不稳定，更换输出电容后，LDO输出恢复正常。那么这个问题是电容的什么参数导致的呢？         LDO的输出电容对LDO性能至关重要，处理可会提升PSRR、抑制噪声外还关系着LDO的环路稳定性。电容除了容值之外，它还有ESR、ESL等参数。输出电容的ESR与反馈电阻、补偿网络等相互作用，可能对反馈环路的稳定性产生影响。ESR的存在可以改变系统的传递函数和极点分布，可能导致系统出现振荡、震荡或不稳定的情况。此外，ESR还可能会对LDO的相位裕度、频率响应和带宽以及功耗等产生影响。因此，在选择LDO输出电容时，需要选择满足数据手册ESR、ESL要求的电容，不能太大也不能太小，否则将会导致LDO性能出现异常。

发表了主题帖： 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——05 LDO介绍

硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计 ——线性稳压电源LDO介绍           在日常电路设计中，工程师们常常会使用到线性稳压电源（LDO）用于低电源噪声需求的负载供电。通常，LDO在高压差下效率低但噪声小的特点，因此工程师常常在设计中将LDO的输入与输出之间的压差调小，以提升转换效率。         LDO可以分为NMOS LDO和PMOS LDO，NMOS LDO的系统框图如图1所示，PMSO LDO的系统框图如图2所示，LDO主要由MOS管、运算放大器、误差放大器、反馈电路、VREF电路、温度反馈电路、时钟电路、放电电路组成。NMOS LDO和PMOS LDO相比，系统框图中多了一个BIAS引脚，这主要是MOS驱动压差导致的。LDO中的MOS管大致可以等效为可变电阻，但需要注意的是MOS管是工作在饱和区而非可变电阻区。 图 1 NMOS LDO系统框图 图 2 PMOS LDO 系统框图         在NMOS LDO中，BIAS引脚一般给NMOS的栅极提供高压，以确保MOS管可以正常导通，处于饱和区。有时候NMOS LDo IC 不会将BIAS引脚伸出，IC内部会采用电荷泵将Vin升压，以确保NMOS导通。NMOS LDO的工作流程如下所示，VIN输入电压，此时VSG>0，NMOS导通。误差放大器根据反馈电阻将Vout调节到设定电压，当Vout变大时，反馈电阻分压变大，误差放大器输出变小，Vout随之变小，反之Vout随之变大。同理，当输出电流变化时，表现为电压变大或者变小，反馈电路也可以立刻产生变化，以确保LDO输出稳定。         PMOS LDO框图与NMOS LDO基本相似，但由于NMOS导通电阻小，PMOS导通电阻大的特性，NMOS LDO经常被应用到大电流输出场景，PMOS LDO被应用到低噪声应用场景。在工作原理上，PMOS LDo与NMOS LDO基本一致，都是通过反馈电路和误差放大器形成负反馈，对输出电压VOUT进行调节。         那么，LDO的主要参数都有哪些呢？接下来我们将一一介绍压差、效率、PSRR、线性调整率、负载调整率、静态功耗、结温等参数。         压差，Dropout Voltage，当LDO工作在正常模式下时，MOS管工作在饱和区，此时漏极D和源极S之间存在电压差，这个电压被称为Vdrop。如果需要LDO工作在正常模式下，那么就需要满足Vdrop≥VIN-VOUT。LDO在不同输出电流场景下Vdrop存在差异，一般情况下，工程师会按照LDO最大输出电流场景设计Vdrop，且会预留20%以上的余量。目前，市场长LDO的Vdrop一般在100~200mV之间，一些特殊的LDO可以做到20~50mV。         效率，即LDO的转换效率。LDO的转换效率一般取决于输入电压、输出电压，两者的电压差值在满足Vdrop的情况下越小，LDO转换效率越高。转换效率的计算公式为：Vout/Vin。         PSRR（Power Supply Rejection Ratio），电源抑制比，这是电源的重要参数之一，表示LDO对输入电源纹波的抑制能力，PSRR最大越好。在IC的数据手册中，有的PSRR是正值，有些是负值，而工程师需要关注的是他们的绝对值，绝对值越大表示LDO对输入纹波的抑制能力越强。         线性调整率（Line Transient Response），这是指在输入电流恒定，当输入电压阶跃变化，对输处电压的影响程度，也就是LDO对输入瞬态电压的响应能力。LDO性能越好，其输入瞬态电压的抑制能力越强，对输出电压影响就越小。         负载调整率（Load Transient Response），这是指在输入电压恒定，当输出负载电流突然发生变化时LDO输出电压的变化，表示着LDO的输出瞬态响应能力。 除了以上五个重要参数外，工程师常常还会考虑LDO的静态功耗和结温。静态功耗表示LDO输出电流为0时，其自身电流损耗，系统级电路要求越低越好，当然需要考虑成本。结温则表示LDO在正常工作时，MOS管可承受的最大温度，这个参数在LDO提供长时间大电流场景尤为重要，关系着系统的稳定性。

发表了主题帖： 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——04 ESD和TVS管

硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计 ——ESD和TVS管           在干燥的冬天，我们在触摸金属时常常会被“电”到，那么这时什么原因？其实这就是人体接触金属放电的过程。冬天空气干燥，空气导电性低，物体表面聚集的电荷不容易释放，电荷随着时间不断在局部积累电荷，形成较高电势。金属是良好的导体，电荷非常容易移动，当接触到电中性的导体（人体）时，电荷快速移动，形成放电通路。而夏天空气湿润，物体表面被湿润空气包围，电荷容易被快速释放，因此就不会被电到。相同的现象也会发生在电子产品中，可能会导致产品发生黑屏、闪屏、甚至死机，这被称为ESD（Electro-Static Discharge）,中文为“静电释放”，这是一种客观现象。         那么，电路设计中如何防止ESD呢？通常工程师们会使用TVS来保护电路元器件。TVS（Transient Voltage Suppressor）,中文名“瞬态电压抑制器”，这是一种二极管形式的保护器件，可以用来抑制ESD对电子电路的影响，保证电路系统正产工作。TVS分为单向TVS和双向TVS，顾名思义单向TVS只能防护一个方向的ESD，而双向TVS可以防护两个方向的ESD，这类似于稳压二极管，利用二极管PN结的雪崩击穿原理，避免ESD进入受保护器件端口。单向TVS和双向TVS电路符号如图1所示。 图 1 单向TVS和双向TVS电路符号         通常TVS在电路中与受保护器件并联，正常状态时TVS呈现高阻，当瞬间电压足够大时，TVS会表现为低阻通路，将大电压干扰释放掉，避免传输到受保护器件两端。TVS防护电路工作原理如图2所示。ESD瞬态高压如图3所示。 图 2 图 3         TVS管可以有效防护ESD，又不影响电路系统正常工作，那它怎么选型？TVS管是利用反向时的的工作特点箝位电压，类似于二极管反接并联在电路中。TVS的主要参数有反向工作电压URWM、漏电流IR、击穿电压UBR、箝位电压UC，以及瞬态峰值功率P0。下面将一一介绍这几个重要参数，可参考图4。 图 4         1、反向工作电压URWM，Peak Reverse Working Voltage，在这个电压以下，TVS管基本不会有电流流过，系统功耗非常小。因此，在电路设计时需要注意，URWM需要大于电路的工作点，如电路工作电压3.3V，那么URWM需要大于3.3V,避免TVS管提前导通，导致系统工作异常。         2、漏电流IR，Reverse Leakage Current，这是TVS管工作在反向工作电压URWM下的电流，电流值很小，选型时需要尽可能小，以降低系统功耗。         3、击穿电压UBR，Breakdown Voltage @ IT，这是指TVS管在一定电流IT下，TVS管反向导通时的两端电压，此时TVS处于低阻抗通路，进入雪崩击穿。         4、箝位电压UC，Clamping Voltage @ Ipp，这是指在峰值电流Ipp作用下TVS两端电压。该电压需要小于后端被保护电路所能承受的最大电压，否则将导致后端器件被损毁，保护失效。         5、瞬态峰值功率P0，这表示TVS管所能承受的最大瞬态功率，即箝位电压UC和峰值电流Ipp的乘积，防止热功率较大导致TVS管失效。         除了以上重要参数外，TVS还有很多详细参数，可以参考器件的数据手册。TVS在电路布局时需要防止容易引入静电的位置，如果距离太远将导致TVS防护失效。

回复了主题帖： 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——03三端子电容

ew123 发表于 2024-8-15 11:03 过了三天过来看看，楼主已经不更新了。 不要激动，周更。 没那么高产

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Jacktang 发表于 2024-8-12 07:23 还是没看明白三端子电容到底是什么呢？ 可以理解为两个电容并联

加入了学习《TINA-TI（TM）系列课程》，观看 TINA-TI（TM）模拟器中的噪声，傅里叶分析和信号链内容

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硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计 ——三端子电容           电容是电子电路设计中最常用的元器件之一，一款手机主板大约会使用3000多个元器件，其中电容约占三分之一。如图1所示，在手机系统电源的PDN优化过程中，我们常常会使用较多的三端子电容替代普通电容，既提高电源稳定性，又可以减小电容布局面积，那么三端子电容是什么呢？ 图 1         三端子电容，其实物如图2所示。三端子电容比两端子电容高频特性好，具有更低的ESL。顾名思义，三端子电容具有三个PIN口，它有三根引线，其中一个电极上有两根引线，而2端子电容只有左右两个PIN口。 图 2         如图3所示，对比三端子电容和两端子电容的频率-阻抗曲线，三端子电容的谐振点比两端子电容更高一些，如两端子电容在1MHz处阻抗大约为3mΩ，三端子电容在3MHz处为2mΩ。对比高频部分，两端子电容在1GHz处阻抗超过了1Ω，而三端子电容在1GHz处阻抗只有110mΩ。那么两端子电容如何提升高频特性呢？这就需要通过多个电容并联降低ESL，但这会导致更大的布板面积。 图 3         那么，为什么三端子电容的ESL更小呢？这主要是三端子电容可以通过独特的电容结构，缩短电流路径，它可以等效为多个电容的ESL并联。普通电容的引线电感对于电容的高频滤波的作用是有害的，而三端电容却巧妙地利用了引线电感，构成了一个T型低通滤波器。如图4所示，普通电容沿着电流方向只具有一个ESL，而三端子电容的结构会存在多个ESL并联，从而使得等效的ESL降低，表现为高频特性好。 图 4         虽然三端子电容的高频特性好，封装尺寸也小，更适合应用在电源PDN优化上，但是它价格昂贵。在实际应用汇总，如果布板面积允许，工程师们常常会将电容拆封成多个普通电容并联的方式，以优化电源和降低成本。当需要考虑布板面积时，就需要在成本和布板面积之间取均衡，因此会使用一部分普通电容和三端子电容的组合，三端子电容使用在布板面积紧凑的位置，两种电容共同形成系统电源的优化，使得PDN达到优化效果。

发表了主题帖： 【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——02电容知识知多少？

本帖最后由 zyb329321151 于 2024-8-11 16:12 编辑 硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计 ——电容知识知多少？           电容是电子电路设计中最常用的元器件之一，一款手机主板大约会使用3000多个元器件，其中电容约占三分之一。手机主板如图1所示，白框标注了CPU的电源分配网络（PDN）电容，在主板中占据了大量面积，下面我们将开始了解手机主板上用料最多的元器件——电容。 图 1         电容主要分为陶瓷电容、电解电容、钽电容，电解电容和钽电容具有极性（有方向要求），陶瓷电容无极性。其中，陶瓷电容又可以分为X7R、X5R、X6S、NP0、COG等类型。我们在做工程师，一定要注意，实际环境中没有完美的器件，一切器件都有寄生参数。因此，下面就电容的DC偏压特性、电容等效模型、AC特性和温度特性进行讲解。         DC偏压特性，主要指电容的容值随着加载两端的有效电压升高而下降，这就意味着电容两端电压越高，电容容值越低（这需要在电容耐压值之内）。图2所示为10uF/10V电容的偏压特性，当电容两端电压为10V时，电容有效容值降低70%，仅3uF。 图 2         在MLCC陶瓷电容中，只有X7R、X5R、X6S电容有DC偏压特性，而NP0和C)G无此特性，这主要由电容自身的材料所决定。陶瓷电容的电介质主要以BaTiO3 (钛酸钡) 作为主要成分，BaTiO3具有如图3所示的钙钛矿 (perovskite) 形的晶体结构，在居里温度以上时，为立方晶体 (cubic) ，Ba2+离子位于顶点，O2-离子位于表面中心，Ti4+离子位于立方体中心的位置。这是在居里温度 (约125℃) 以上时的立方晶体 (cubic) 的晶体结构，在此温度以下的常温领域，向一个轴 (C轴) 延长，其他轴略微缩短的正方体 (tetragonal) 晶体结构。 图 3         此时，作为Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果，产生极化，不过，这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生，因此，称为自发极化 (spontaneous polarization) 。自发极化会受到外部电场力作用，极化方向会发生变化。当从外部施加直流电压时，由于电介质中的自发极化受到电场方向的束缚，因此不易发生自发极化时的自由相转变，表现为电容率（介电常数）变化，从而使得有效容值发生变化。         电容等效模型。在一些情况下，电容可能会变成电感，这是什么原因呢？理想的电容，随着频率增加，它的阻抗越来越小，但是实际电容存在ESR（等效电阻）和ESL（等效电感），可能会导致串联谐振，由于ESR和ESL的存在，实际电容在低频处呈现容性，高频处呈现感性。因此，电容的等效模型如图4所示，主要由ESR、ESL、Rleak、C组成，Rleak表示电容漏电流等效阻抗。 图 4         实际电容存在阻抗-频率曲线，如图5所示。当容抗等于阻抗时，刚好到电容阻抗转折点，此时形成谐振，电容阻抗最小。通常所说的小电容高频特性好，就是说的谐振频率高。这个参数非常重要，常常被用于优化手机电源PDN。 图 5         AC特性，主要指电容的有效容值会随着交流电压 变化而变化。在AC电压环境下，电容的电压和电流的关系并非线性，而是呈现出一种称为阻抗的复数特性。这是因为电容对交流电压的响应取决于电压的频率。在低频下，电容可以看作是一个开路，阻止电流通过；而在高频下，电容则可以看作是一个短路，允许电流自由通过。         电容的温度特性，不同类型的电容，由于制作使用的材料不同，将导致其在不同温度下容量发生变化，这个参数是电容稳定性的表现。陶瓷电容可以分为I类和II类电容。一般，C0G和NP0为I类陶瓷电容，这类电容容量稳定性好、精度高、对温度不敏感，即温度变化导致电容容量变化较小，但是电容容量较小，一般是pF级。X7R和X5R属于II类电容，由于温度引起的容量偏差较大，但此类电容可以制作大电容，可以达到几十甚至上百uF。  

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硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计——概述           本书名为《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》，作者是前小米工程师郑春厚所撰写。“麻雀虽小，五脏俱全”，本书以手机电路设计为切入点，囊括了基本器件、常见的开关电源、线性电源、模拟电路、信号完整性、电源完整性、传感器、测试仪表等内容。作者通过大量实际案例讲解，为初级工程师和在校学生指明学习方向。本书采用彩印，可以使读者快速获取到电路电路图、PCB和示波器波形相关信息，更容易理解作者所表达的意思。本书的每个章节，都有视频二维码，读者可以通过视频快速理解学习。         本书内容分为6章，将围绕以下内容进行讨论。         在本书的第一章中，作者介绍了电路常用器件，如电阻、电容、电感、磁珠、二极管、晶体管、MOS管、TVS管等器件。其中，针对电路中最常用的器件——电容进行详细分析，如电容的DC偏压特性、等效模型、AC特性以及不同类型电容。然后，通过实例讲解了“电容声”和自举电容的原理，MOS管并联二极管的原因以及静电的来源。最后，本书用案例分析的方式讲解了器件降额设计的秘密，告诫读者不要挑战数据手册。         在第二章，本书围绕电路中常用的电源架构进行讨论分析。首先，作者讲述了三种开关电源：BUCK、BOOST、buck-boost负电源，以及这三种电源的工作原理、电感选型。其次，书中介绍了PMOS和NMOS线性稳压电源（LDO）工作原理，并介绍了LDO的重要参数。然后，通过介绍电荷泵和若电流源原理，进一步拓展读者对电源的认识。最后，作者通过9个电源实战案例，告诉读者遇到电源类问题应该如何去处理，如BUCK开关节点下冲负电压问题、LDO输出不稳定问题、开关电源的PWM和PFM模式等。         在第三章中，主要介绍了模拟信号处理。首先，ADC是连接模拟与数字世界的桥梁，这必不可少。其次，当ADC将数字信号传输到CPU后，CPU内部会对信号做傅里叶变化、调制解调等处理。然后，模拟信号会分为共模信号和差模信号，可以通过运算放大器和无源滤波器对模拟信号进一步加工。最后，作者通过6个实战案例，讲述了模拟信号处理过程中的注意点。         在第四章中，作者主要介绍了信号完整性的基础设计，分别针对信号传输线、环路电感、特征阻抗、信号反射、串扰、S参数等重要名词进行介绍。最后，作者通过4个实战案例介绍了如何实现阻抗匹配、TDR阻抗测量、如何抑制串扰等。         在第五章中，作者主要介绍了手机基带硬件电路设计。手机基带电路主要包括CPU、系统电源、锂电池及其保护、充电电路、相机和屏幕、音频、传感器、SIM卡。此外，本书还大篇幅介绍了锂电池保护原理、手机充电原理、PDN及其优化、MIPI C-Phy/D-Phy、音频接口协议IIS、EMC基础知识等内容。最后，本章通过13个实战案例讲解作为结尾，就手机基带电路设计中遇到的重难点问题进行分析，提升读者对系统性电路设计的认知。         最后，作者在第六章中介绍了测试仪表和板级测试，主要针对万用表和示波器基础测试方法进行阐述，并采用6个电路测试实战案例进行讲解，使读者进一步理解测试的重要性。

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发表了主题帖： 【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——005 BUCK 工作模式

本帖最后由 zyb329321151 于 2024-7-17 22:39 编辑 降压变换器（BUCK）工作模式讨论             在降压变换器中，MOS管导通和打开期间电流如图1所示。SW合上表示MOS上管导通期间，输入电源为电感充电，这个阶段为导通时间，此时MOS下管断开。SW断开时，电感开始放电，MOS下管闭合，这个阶段为闭合时间。在D的位置，可以是二极管，也可以是MOS管。当D位置为二极管时，降压变换器为同步BUCK。当D位置是MOS管时，降压变换器为异步BUCK。 图 1 1、CCM工作模式         在开关电源的CCM工作模式下，降压变换器的各节点波形如图2所示。 图 2         波形①表示驱动MOS管的PWM信号，当SW导通时，公共点SW/D电压为VIN，反之当开关关断时，共点SW/D电压为0，即波形②。在波形③电感两端电压中，D位置为续流作用的开关管，因此会出现负压降。电感两端的平均电压为0，即面积S1+S2=0，对应的面积表示开关导通/断开时间和电压的乘积。S1表示（Vin-Vout）*Ton，S2表示-Vout*Toff。在波形④中，电感电流随SW开关管打开上升，随SW关闭而下降。在波形⑤和⑥中，电容电流与电感电流保持一致，电容上的电压成类似于正弦波的波形。波形⑦表示输入电流的变化，当SW刚闭合，二极管处于导通和关闭的节点，需要从导通时的PN结转换为电中性的PN结，移去所有的少数载流子，这种状态转换需要一定的时间。二极管在完全转换完成的期间，它呈现短路特性（这里和MOS管的电压和电流交叠区域类似）。 输入电流存在尖峰，而输出电流无异常，这是由于D位置的二极管或者MOS导通下管的寄生电容导致的，寄生电容上的电容快速放电导致了电流尖峰。如果电感L趋于无穷大，那么电流尖峰将会消失，电流波形变为方波。由于功率开关能够终端输入电流的流动，因此需要在电流接通时刻进行短路保护或者浪涌限制。 2、DCM工作模式         DCM工作模式一般发生在开关变换器轻载时，此时变换器的上MOS管和下MOS管均处于断开状态，拓扑示意图如图3所示。 图 3         在DCM模式下，开关变换器的各节点电流如图4所示。与CCM模式相似，总共7个节点的波形。但也存在不同之处，电感电流会降低到0，SW/D节点和电感电压上存在震荡波形。产生震荡波形的主要原因是MOS管的寄生电容和寄生电感形成震荡回路，且与电阻阻尼有关。 图 4 3、CCM与DCM的过渡点讨论         当开关周期内电感的电流减小到0时，称变换器工作与DCM。反之，在开关周期内电感电流从不达到0，称变换器工作在CCM模式下。当负载降低，电感平均电流也降低，对应到电感电流一达到0又马上重新太高的点，被称为边界点或临界点，该点对应于电路从CCM过度到DCM（反之亦然），如图5所示。 图 5

发表了主题帖： 【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——004占空比如何调节输出？

占空比如何调节输出电压或输出电流？           如我们所知，不论是降压BUCK还是升压BOOST变化器，都是通过调节PWM占空比实现输出电压或电流变化的。变换器需要保证输出稳定，它可以通过环路反馈控制占空比变化来维持输出电流或者电压恒定。那么控制器是如何调节占空比的？下面将分为电压输出模式和电流输出模式进行讲解。 1、电压工作模式         日常中，开关变换器最常用的是电压输出，即将电压保持在某个恒定值。此时就需要电压反馈环路起作用了。如图1所示，表示一个最小的变压器变压输出控制电路。其主要包括输入线圈，次级输出线圈，电阻分压反馈电路，参考电压电路、误差放大器、三角波发生器、PWM调控器以及MOS开关部分。 图 1         如图1所示，输出电压通过Rupper和Rlower分压决定。误差放大器的主要作用是将输出电压和参考电压的差值放大，PWM调制器的作用是将误差放大器输出电压与三角波做比较。如图2所示，误差放大器输出值大于三角波值时，PWM输出高电平，反之输出低电平。 图 2         当输出电压大于设定值时，误差放大器输出值变小，PWM调制器输出低电平，MOS管关闭，占空比降低。反之，当输出电压小于设定值时，误差放大器输出值变大，PWM调制器输出高电平，MOS管打开，占空比变高。因而，通过调节占空比，实现输出电压稳定。 2、电流工作模式         在电流工作模式下，PWM由流过电感的电流来确定是否触发。电流工作模式的电路拓扑如图3所示。与电压控制模式相比，电压模式直接用PWM发生器控制MOS管，而电流模式通过锁存器控制MOS管。 图 3         如图3所示，电流模式下，电流检测比较器一端接电流采样电压，另外一端接输出电压的误差放大器输出，通过比较输出电流和误差电压来确保输出电流恒定，此时调制器依赖于瞬态电感电流。由于瞬态电感电流变化较快，在电路中增加锁存器来降低电流的瞬态变化率。当锁存器时钟到来时，MOS管将电流检测比较器输出值更新到MOS管驱动端，因而也可以通过修改锁存器时钟来改变占空比。误差电压与输出电流的关系如图4所示。当输出电流变大时，MOS管的占空比也在不断增大，电流模式通过电感峰值电流间接控制。 图 4

发表了主题帖： 【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——003开关电源电感电流知识讨论

本帖最后由 zyb329321151 于 2024-7-8 21:33 编辑 开关电源中电感电流知识讨论           在本节中，我们将围绕开关电源的电感中碘酒是连续的还是不连续的进行讨论。开关电源以BUCK电流为例，电源电路拓扑如图1所示。   图 1         众所周知，电感在功率开关导通期间经历磁化循环：电感的磁通量在功率开关导通器件累积起来，在功率开关断开期间释放。功率开关主要由控制器开关控制，开关断开与输出电压或电感电流有关，通过环路反馈将输出电压/输出电流给控制器，以便调节占空比。在开关打开的最后时间，电感电流达到最大值Ipeak。在开关截止的最后时间，电感电流达到最小值Ivalley。 在开关打开和截止时，电感电流在Ipeak和Ivalley之间摆动，这个摆动的幅度称为电感纹波电流。在降压开关电路中，平均电感电流表示输出到负载的直流电流，而电感纹波电流是以负载电流的平均值为中心的。因此，根据电感电流的状态，可以将变换器导通模式定义为以下三种：         CCM，连续导通模式。在一个开关周期内，电感电流从不会到0，这就意味着开关周期内电感磁通量不会回到0。功率开关关闭时，线圈中还有电流流过。         DCM，非连续导通模式。在一个开关周期内，电感电流总会回到0。当功率开关关闭时，电感电流会掉到0。         BCM，边界或边界线导通模式。控制器检测电感电流，一旦检测到电流为0，立刻打开功率开关。如果电感峰值电流高，而截止斜坡斜率小，则开关周期延长，因此BCM模式是一种可变频率系统，也可以称为临界导通模式或CRM。         一般变换器如果设计工作在CCM模式下，在负载变得比较轻时，变换器会进入DCM模式状态，反之亦然。一个设计良好的变换器，需要能够在CCM和DCM两种模式下自主切换，而不会产生问题。         图2表示电感电流曲线的三种不同情况。         峰值电流和谷值电流的差值表示纹波电流，用ΔIL表示。         Son和Soff分别表示功率开关打开时电感上面的压差产生的斜率。一般情况下，电感中的磁通量采用伏秒平衡来描述，即开关打开阶段充能与开关关闭阶段释放能量是相等的。 即（Vin-Vout）*Ton=-Vout*Toff。         因此，可以得到以下结论：         1、大电感引入低电流纹波，电感会抑制任何电流的变化，选择大电感可以减慢系统响应。         2、CCM工作模式相比于DCM和BCM工作模式，导通损耗较低，主要原因是输出电流纹波小。         3、在其他条件不变的情况下，小电感值意味着较大纹波或工作于DCM模式下时，导通损耗将会变高。         4、可以通过比较峰值电流和平均电流大小，得到电路的工作模式。

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文件较大，分成4个报。所有文件都需要下载，然后解压到本地即可。  

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只欠个秋天 发表于 2024-5-25 18:33 满满的技术干货，这个有资源可以提供下下载链接吗。 【好书共读——《开关电源仿真与设计-基于SPICE》】——002基础内容介绍<二> https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1283137-1-1.html