電路設計專欄 — 電子產品基礎電路圖

發表日期：2014/05/28 本文瀏覽次數：8,444次

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1. 電子產品基礎電路圖

此電路圖濃縮了網通產品70%以上的基礎電路，其包含「直流電源轉換(Buck、LDO、Flyback)、Power Filter、時脈電路(X’TAL、OSC)、IC Interface、Display、PSE、I/O Port」，由此基礎可以演變到其它電路應用。

System Basic Circuit

電路圖中涵蓋的零件如下表：

範疇	內容
電路名稱	Buck、Linear Reg、Flyback、Timing、Interface、Power Filter、符合認證基礎線路
零件名稱	單顆電阻、排阻、精密電流偵測電阻、電容 (MLCC、OSCON、POSCAP、E-Cap)、磁性材料 (電感、CMC、Bead、LAN X’FMR、Power X’FMR)、Discrete (Diode、Bridge Diode、Schottky、BJT、MOS、TVS…)、Buck & Flyback PWM、Linear Reg、Shunt Reg、Photo Coupler、X’TAL、OSC。

如果把電路設計比擬為炒一道佳餚，則電路設計需要具備下列宏觀的學習。
要了解各種食材(主零件)、佐料(周邊零件)、烹飪器具(研發工具、製造設備)、食譜(設計規範與流程)…等，另外要兼顧養生(加值功能)與食品安全(產品法規認證)。把這些本質上不同的成分(匹配零件)拿捏到恰當好處，就能烹煮出一道令人垂涎三尺(產品致命吸引力)、色香味美(產品性能)、健康俱全(法規認證)及兼顧到消費者荷包(成本優勢)的美食(滿足客戶需求產品)。

宏觀的看電路開機到穩定動作原理

Step 1：穩定直流電源→Power Good
Step 2：穩定時脈 (Clock)
Step 3：足夠時間的重制(Reset) → 初始化 (Initial/Configure)
Step 4：軟體 (Boot Code → Diagnostic → Runtime)
Step 5：個別介面資料開始傳輸

由此可看出穩定的電源、時脈及介面傳輸，對產品的性能影響重點，但這三點卻在目前Copy & Paste的電路設計，則相對是弱點。

建議硬體電路設計學習邏輯順序如下：

Step 1：「電路動作原理」：是後續選料、Layout、量測解問題的基礎。
Step 2：「零件扮演角色」：即使同一個零件，在不同電路功能下，有個別的選料原則及驗證手法。
Step 3：「選料原則」：滿足電氣特性、設計可製造性、可靠度、成本、交期，並且跟零件趨勢接軌。
Step 4：「零件互為替代性」：例如電容，不同類型電容有其優缺點，如何採取優點互相替代。
Step 5：「零件匹配」：產品的穩定基礎在於不同零件下的匹配，以確保整體電路運作正常。
Step 6：「Layout Guide」：阻抗控制與傳輸線匹配、散熱、線長(Delay)、大電流、敏感訊號…。
Step 7：「量測手法與解問題手法」：儀器理論 + 電路與零件驗證 + 找Root Cause + Debug

由此即可以發展公司「電路設計手冊」、「選料規範」、「EVT 測試手冊」、「印刷電路板佈局手冊」..等，。這樣的學習邏輯可以套用在系統廠與零件供應商，在此先以「降壓式直流電源轉換(Buck / Step Down)」概述，後續將以個別電路詳細的解說。

Buck Circuit

系統廠角度看「降壓式直流電源轉換(Buck / Step Down)」硬體設計

學習步驟	概述
電路動作原理	1.) 從V-T Balance 概念求得Duty (Upper / Lower Side MOS開關時間) 2.) 如何設計確保在CCM，並且了解CCM的動作原理 3.) 個別區塊電路動作原理，包含「Input Filter、Switching Power MOS、Output Filter、Control Mode、Compensation、Current Sense、OCP/OVP/OTP、Others (Set Switching Frequency…)」
零件扮演角色	就以此電路的電容為例，就有不同的電容角扮演，例如「C_IN、C_OUT、C_BOOTSTRAP、C_BYPASS、C_SOFTSTART、C_SNUBBER、C_COMPENSATION」，功能不同則後續的選料原則、驗證手法就不同。例如CIN強調足夠耐I_IN,RIPPLE及，以追求最終的可靠度。而C_OUT的設計可量則須滿足V_OUT,RIPPLE、V_{OUT,TRANSIENT}、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)。
選料原則	例如C_IN強調足夠耐I_IN,RIPPLE及，以追求最終的可靠度。而C_OUT的設計可量則須滿足V_OUT,RIPPLE、V_{OUT,TRANSIENT}、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)。另外滿足DFx。可參考下列零件匹配。
零件互為替代性	例如在C_IN的選擇，會因為V_{IN、Capacitance}…等的不同，而可在液態電解電容、固態導電高分子電容、積層陶瓷電容上有不同的組合&替代選擇。
零件匹配	例如Output Filter，則需要L_OUT& C_OUT的匹配，以滿足V_OUT,RIPPLE、V_{OUT,TRANSIENT}、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)。 V_OUT,RIPPLE：而L_OUT& C_OUT & F_SW等決定。 V_{OUT,TRANSIENT}：主IC旁的C_Bulk & C_Decoupling、C_OUT、C_OUT,ESR、C_OUT,ESL、L_OUT…。 Stable：Control Mode (Voltage、Current、COT)、Compensation、L_OUT& C_OUT
Layout Guide	整體要分主主電源切換路徑(Power Path)：強調結構緊密、及舖銅或走粗線散熱。驅動路徑(Drive Path)：Upper/Lower MOS路徑結構、15 ~ 20mil粗線。敏感路徑 (Sensitive Path)：細線繞過主電流及驅動電路。控制路徑 (Control Path)：盡可能與Buck IC C_BYPASS共地。
量測手法與解問題手法	整合「電路動作原理、零件扮演角色、零件特性」等決定量測與解Bug手法。例如觀察CIN的重點在於耐電流、單體溫升&Life計算..等。觀察C_OUT則觀察V_OUT,RIPPLE、V_{OUT,TRANSIENT}、Stable。

供應商 (電感廠) 角度看「降壓式直流電源轉換(Buck / Step Down)」硬體設計

這樣的思考模式可以強化零件廠與系統廠之間的連結，且就零件供應商來看，越了解客戶應用及驗證手法，則越能提供客戶導向的產品與技術支援。

學習步驟	概述
電路動作原理	1.) 伏特秒平衡 (V-T Balance)是透過儲能元件(Ex: Buck為輸出電感、Flyback為隔離變壓器)可求得Duty，此是直流電源架構其它零件動作及計算的基礎。 2.) 輸出電感量決定CCM or DCM，一般期望操作在CCM下。 3.) Upper / Lower Side MOS的開關切換損失(Switching Loss)與LOUT。 ……………………….
零件扮演角色	降壓式直流轉換電路中包含L_IN (Option) & L_OUT 1.) L_IN：主要隔離個別直流電源轉換電路與DC12V，避免電路的切換雜訊帶到DC12V電源層，避免干擾其它組電源轉換，也可降低透過Power Supple出去的傳導磁干擾。 2.) L_OUT：主要為儲能功能，並且遏制(Choke)輸出電流變化，故決定I_OUT,RIPPLE。而I_OUT,RIPPLE影響了V_OUT,RIPPLE及其它零件功率消耗。另外在Voltage Mode下，會L_OUT& C_OUT造成Double Pole，則需要適當的補償電路使整體電路穩定。
選料原則	1.) L_IN：沒有特殊情況下選擇適當耐電流及市場主流電感量，當要特殊慮某些頻率，才須以整個Input Filter概念作電路設計。 2.) L_OUT：滿足V_OUT,RIPPLE、V_{OUT,TRANSIENT}、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)、Current sense，另外電感鐵芯材料與切換頻率有關。
零件互為替代性	依據電流大小決定組裝式或者一體成型架構、依據切換頻率選擇電感鐵芯材料…等，都有互相取代的空間。
零件匹配	例如L_OUT的選擇與C_OUT、F_SW有關，需要匹配的設計。
Layout Guide	1.) L_IN & L_OUT的主電流都需要鋪同，且強調與Power MOS結構化。 2.) L_OUT的DCR Current Sense，為敏感訊號，需要細線繞過主電流與驅動路徑。 3.) L_OUT的Phase點有三種功能路徑。在主電流及Snubber路徑都強調鋪銅散熱，在Bootstrap路徑，則須獨立15 ~ 20mil粗線。
量測手法與解問題手法	1.) L_IN：觀察低頻透過Power Supply的傳導EMI及DC12V的雜訊。 2.) L_OUT：量測V_OUT,RIPPLE、V_{OUT,TRANSIENT}、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)、過電流保護(OCP)等。