電路接地與供電模塊原理解析（一）

隨著電子產品尺寸變得越來越緊湊、功能越來越強大、用途更加廣泛，*終的系統級要求，以及移動和固定設備的復雜性也變得日益突出。這種復雜性來源于要求在模擬和數字電路之間實現無線和有線的互連，需要系統工程師使用多個電源軌和混合電路設計。具有模擬和數字信號的電路一般傾向于設置幾個接地參考，這樣經常導致電路雜亂無章，設計目的無法實現，表面上看上去很可靠的方案卻*終成為故障之源。這里將重點放在理解電路的需求和預先規劃*終的系統，因為這兩個步驟的結果是有效地把圖紙轉變為*終的印刷電路板。在設計階段花一些時間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來考慮一個復雜系統的每個功能模塊，然后根據電流總是在一個循環回路中流動的簡單公理來設置這些模塊及供電電路，這樣當今系統工程師所面對的復雜電路*可以分解為許多可管理的部分，以便實現*終的可靠設計。

簡單電路的電源和接地分析

為了證明該理論，讓我們來看一個簡單的電路并考慮所示的連接。該基本電路包括三個要素，一個低壓差（LDO）線性調節器，一個微處理USB數據線接到音頻驅動器，和一個揚聲器，所有這些都由一個連接到某個計算主機的USB插頭供電。在本例中，USB到音頻驅動器必須用3.3V供電。由于揚聲器采用音頻驅動器的輸出供電，所以音頻輸入驅動器需要+3.3V LDO，其由USB連接器供電（+5V），這似乎可以得到一個顯而易見的結論，即可將它們放置在圖1（a）原理圖所示的位置。但是，在這種框架下，驅動揚聲器工作的電流在返回到電流源驅動器時會產生一個電壓反彈，該電壓反彈會反過來作用于LDO并*終影響到USB連接器。在本例中，把USB數據轉換為音樂的基準電壓會以音樂播放的速率反彈。由于揚聲器電感所產生的相移會增大誤差，這將和由于電流提升產生的高音量混合在一起。電壓反彈也將導致紋波出現，這將降低揚聲器發出的音質。

這將減少到達DC的紋波，之后電流只引起電壓降，并且不會隨時間而變化很多（上面等式中的Δt應該被視為可聽頻率12~14kHz的平均值）。通過在各IC之間使用較寬的電源和GND連接來限制由歐姆定律所得到的電壓降值（電流與電阻的乘積），可控制誤差的大小。

GND和電源線的寬度應當根據可接受的損耗來確定。對于典型的1盎司銅印刷電路板，其電阻可以估算大約為每平方0.5mΩ。由于此問題不能總是通過添加電容去緩解，而應該采用圖1（b）中的方案來從根本上解決。LDO是放在音頻驅動IC的上方，可以使立體聲電流回路避免了敏感的音頻驅動GND，這樣產生的GND電壓反彈不會影響音頻驅動，只有小的紋波干擾出現。

圖1簡單的電路表明電源電路會引起反彈，而且會返回電源。

復雜電路的電源和接地優化策略

在上面的應用案例中，只有兩個電流回路。現在，我們換一個更復雜的例子。下面考慮的是一個較為復雜的平板電腦系統。在本例中，平板電腦包括背光、觸屏、攝像頭、充電系統（USB和無線）、藍牙、WiFi、音頻輸出（揚聲器，耳機）、以及用于存儲數據的存儲器。當然，這些應用的大部分都需要不同電壓的電源軌以便更好地工作。如圖2所示，該系統具有五個電源軌和兩種給電池充電的方法，這意味著至少會有五個電流回路。但相比直流電源，以及相關的各條電流路徑，實際應用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個開關穩壓器，廣播和接收天線系統，所有這些都需要使用微處理器來協調和控制。展示的與電源和它們供電的模塊相關聯的電源路徑和GND路徑，有助于將電源和負載電流評估進行匯總，從而實現以下目的：

在圖2中，主電源軌已被顏色編碼，流經相應GND符號處的電流已被匹配到提供電流的電源軌。例如，每一個與電池充電不相關的部件（紅色），有一個端電流返回到電池，但USB到音頻IC由3.3V BUCK調節器供電，而它是由5V Boost調節器供電的，之后接到電池。因此，GND電流從音頻IC按先后順序返回到各調節器，然后到達電池，音頻IC電流不會直接返回到電池。

圖2典型的移動平板電腦模塊示意

圖2所示的系統采用了一個鋰離子電池，通過USB充電器或無線功率發射器和接收器可以進行充電。電池電壓可被升壓到+ 5V（用于相機變焦馬達、針對微處理器的+3.3V降壓調節器、音頻和觸摸屏），可降壓到+ 1.2V（用于微處理器、存儲器、藍牙和WiFi），也可升壓到+ 7V用于相機閃光燈。顯然，電壓調節器應放在各自的負載附近，但*終由于產品形狀尺寸的限制，通常迫使設計者把負載放在距離電源較遠的位置，或在電路板周圍混雜放置。可以看出，每個電源需要支持多個負載，因此必須采用精心策劃的布線和布局方案來控制電流路徑和無意產生的EMI。這里是一些重要的布局考慮因素：i）可用的空間，ⅱ）機械方面的約束，ⅲ）電源和GND軌可接受的電壓降（負載電流和跡線/平面正方形數目的乘積），ⅳ）電源和GND電流路徑，以及v）成本（PCB層數，組件），ⅵ）數字或模擬信號的頻率，以及從電源直接返回路徑的可行性。