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怎样做一个好电源?学林调音师的电源设计

时间:2018-10-8 17:53:09来源:浏览:

怎样做一个好电源?学林调音师的电源设计


学林调音师定位于高级别音频播放器,我们必须是在现有条件下用能够买到的,最好的ldo,和最好的高分子和超级电容,下面我来谈谈调音师电源设计的心得。

时间繁忙的同学可以只看小标题。

 

1         最小路径实现供给

2         只处理最后一级

3         刀刃上必须用好钢!ldo的选择顶级 tps7a47以及tps 7a33

4         超级电容加持

5        “宽敞”的电源pcblayout

 

为什么是电源?

模拟音频电路的重中之重是电源的设计,没有好的电源,好比洗锅水打汤,再好的配料也是白搭。

最近非常火的索六万,就是可以采用纯内置电池工作的台式机,抛开其商业营销模式不谈,仅其对电源的重视程度, 本人是非常赞同。

确实,最好的电源是电池,而最需要处理的是最后一级,最接近放大电路的部分。

在多年的模拟电路实际设计调试经验中,谈几点我对电源设计的理解:(班门弄斧,还请各位高手多指教)

 

1 最小路径实现供给。

能够用一级电路解决的问题,坚决不用多级电路。

就是说简单的电路,比复杂的好。

一个电池,先升压,再稳压,再反压,再降压,虽然测试数据很好看,但是由于其链条过长,导致瞬态特性恶化。而减少一级处理,比起处理多级是事半而功倍。

 

 

                                             

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2 同样的道理,只处理最后一级。

复杂的电源电路,在各个节点都做了复杂的退耦滤波,搭配大电容,这样的结果是得不偿失的,会造成多个回路,速度会变慢,成本高,性能有劣化的可能。

我们的做法是,在前面各个环节都只做普通的小电容退耦,不要大电容滤波,只在最后一级,最接近放大器的,和放大器电源并联的这里,接大容量,超低esr 高分子电容。

 

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3刀刃上必须用好钢!ldo的选择:

我们的工程师研究了上百种常用ldo的pdf资料,实际测试的ldo超过20种。

下面是ti官网ldo 的资料查询

http://www.ti.com.cn/zh-cn/power-management/linear-regulators-ldo/products.html

好的ldo的价格也是非常昂贵的,我们使用的ldo tps7a47以及tps 7a33在得捷电子的报价分别为

35.4元和39元。

 

 

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而几乎为同样功能的LDO AAT3200的单价仅0.26元。

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昂贵的芯片,自然有他贵的道理。

TPS7A 系列线性稳压器超低噪声线性稳压器,负载电流可以达到1A(实际我们的负载不超过300MA,留足够的余量总没有坏处),该芯片使用了特别的双极技术用于滤除DC/DC 开关转换所固有的输出电压纹波,因此可以实现比普通ldo低一个数量级的纹波。

可确保在医疗、测试和测量、音频和射频 (RF) 应用中实现系统性能最优化。

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实际上这两颗ldo的纹波特性确实非常令人惊喜:其中tps7a33为负电源稳压器,其纹波系数为16uv。

量产芯片中,负电源ldo芯片,相比一抓一把的正电源芯片像大熊猫一样罕见,所以16uv已经非常的难得!

http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps7a33.pdf

tps7a47为正电源稳压器,其纹波系数更是低至令人惊异的4uv!

http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps7a47.pdf

虽然目前在民用渠道能够看到的更低噪音的ldo 是凌力尔特的lt3042,但是由于缺乏配套的负电源芯片,好比上半身西装,下半身牛仔,所以并不是一个好选择。

 

我们测试的常用ldo纹波噪音:(电源指标除纹波噪音外,纹波抑制比,速度等指标也非常重要,以下是我们整理的一些资料仅以此为例说明)

 

型号

描述

纹波噪音

LM1117

800mA 低压降线性稳压器

38 vu/RMS

 

LM317HV

60V 输入电压、1.5A 可调输出线性稳压器

1710 vu/RMS

 

LP38691

借助陶瓷输出电容实现稳定的 500mA 低压降 CMOS 线性稳压器

 

80 vu/RMS

 

LP2960

可调节微功耗 0.5A 低压降稳压器  

 

160vu/RMS

 

LM78M

 3 端子 500mA 正电压稳压器系列

 

40 vu/RMS

 

tps7a33

超低噪音负电源稳压器

16 vu/RMS

 

tps7a47

超低噪音正电源稳压器

4.17 vu/RMS

 

 

4 宁要仙桃一口,不要烂杏一筐,超低esr的高分子poscap电容。

常规电容(瓷片,电解,或者钽电容)在实际测试中,滤波性能甚至不如高分子电容POSCAP的1/10,高分子ESR最低达5mΩ。然而,国内的正规渠道却极少有高分子电容。原因为何?就是一个字:“贵”!


   鉴于目前的国情,除了少数的军品和不差钱的仪器类产品,普通民品甚少吃上天鹅肉。

我们采用的220uf/6.3v高分子电容得捷电子的千颗采购价为5.3元(差不多可买到普通电解100颗)

 

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那么这个付出是否值得呢?没有测试就没有说服力。

以下是我们用调音师在相同情况下对高分子电容和普通电容的滤波效果的测试比对:

测试节点是dc-dc升压tps61085(5v之后),用33ohm假负载,Utd2052数字示波器 10mv/100us档位的实测结果。

为方便测试,测试电容分别用(ulr220uf/15v高分子直插电容)( yhcon 220uf/16v普通直插电解电容),实际使用的是指标接近的smt高分子电容。

 

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由上图可以看出高分子电容较普通电容对纹波下降的贡献率非常明显(实际受高频频率,负载电流,滤波容量以及测试方法的不同会有所出入)

 

除了高分子电容滤波外,我们还首次采用了超级电容加持:

 

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超级电容器(Supercapacitors,ultracapacitor),它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

超级电容的优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽,是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。

在学林调音师的设计中我们采用了两颗0.047法拉的超级电容为最后一级模拟耳放电源提供终极滤波。(0.047法拉电容等于47000uf。如果换算为常用的47uf 电容,等于1000颗)


超级电容的实际特性接近电池但又有比电池好得多的爆发力,在这种非常规和近乎疯狂的不计成本的电源设计中,使学林调音师的电源纹波系数,稳定性,瞬态特性达到了达到了目前条件下模拟技术的较好水平。

 

5  电源的pcblayout很宽敞。

得益于调音师不算秀气的体积和多重pcb叠加的设计。(调音师的所有电路板,包括cpu主板,按键板,模拟电源板,四个模块板,一共至少七片pcb组成(还不包括其他模块)

相对一些仅一片pcb的设计,我们的电源芯片以及音频模拟电路走线可以保证足够的线宽。

这意味着:

1 更低的噪音干扰。

2 更低的接地内阻。

3更优的走线路径。

4更大物理距离隔绝电磁干扰(特别是和dcdc模块的物理隔离)。

譬如在高密度的设计中一般要走5mil或者4mil线宽,而调音师的线宽可以保证10mil,并且可以大面积四层接地以提升整体性能。


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