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:5,436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

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

 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「CIN、COUT、CBOOTSTRAP、CBYPASS、CSOFTSTART、CSNUBBER、CCOMPENSATION」,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IIN,RIPPLE及,以追求最終的可靠度。而COUT的設計可量則須滿足VOUT,RIPPLE、VOUT,TRANSIENT、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)。
選料原則 例如CIN強調足夠耐IIN,RIPPLE及,以追求最終的可靠度。而COUT的設計可量則須滿足VOUT,RIPPLE、VOUT,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CIN的選擇,會因為VIN、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LOUT& COUT 的匹配,以滿足VOUT,RIPPLE、VOUT,TRANSIENT、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)。
VOUT,RIPPLE:而LOUT &  COUT  & FSW等決定。
VOUT,TRANSIENT:主IC旁的CBulk & CDecoupling、COUT、COUT,ESR、COUT,ESL、LOUT…。
Stable:Control Mode (Voltage、Current、COT)、Compensation、LOUT& COUT
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 CBYPASS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COUT則觀察VOUT,RIPPLE、VOUT,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LIN (Option) & LOUT
1.) LIN: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.) LOUT:主要為儲能功能,並且遏制(Choke)輸出電流變化,故決定IOUT,RIPPLE。而IOUT,RIPPLE影響了VOUT,RIPPLE及其它零件功率消耗。另外在Voltage Mode下,會LOUT& COUT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.) LIN: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.) LOUT:滿足VOUT,RIPPLE、VOUT,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LOUT的選擇與COUT、FSW有關,需要匹配的設計。
Layout Guide 1.) LIN & LOUT的主電流都需要鋪同,且強調與Power MOS結構化。
2.) LOUT的DCR Current Sense,為敏感訊號,需要細線繞過主電流與驅動路徑。
3.) LOUT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.) LIN:觀察低頻透過Power Supply的傳導EMI及DC12V的雜訊。
2.) LOUT:量測VOUT,RIPPLE、VOUT,TRANSIENT、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)、過電流保護(OCP)等。

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