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電路設(shè)計(jì)中如何解決電壓跌落問(wèn)題

問(wèn)題背景:

在電路設(shè)計(jì)中,我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的PMIC模塊時(shí),首先要考慮的就是負(fù)載功率多大、電流的最大值、電壓紋波要求等,然后根據(jù)這些要求去選型,但是在有些電路中會(huì)有前提條件,比如說(shuō)某些電子產(chǎn)品要求用USB2.0供電,但是瞬時(shí)功率肯定大于了USB2.0口的最大供電功率,下圖是USB接口的供電能力。


國(guó)產(chǎn)電磁兼容儀器設(shè)備


從上圖就可以看出USB 2.0接口最大輸出的電功率為2.5W,USB 3.0接口輸出的最大功率為4.5W。

舉個(gè)栗子:

比如在一個(gè)電子系統(tǒng)中,我們要求模組用USB2.0供電,系統(tǒng)電路中有大電流負(fù)載瞬時(shí)功率為5V x 5A,這種情況下,如果電路還是按常規(guī)的電源原則設(shè)計(jì),做出的產(chǎn)品一定會(huì)有問(wèn)題,輕則負(fù)載不工作,重則系統(tǒng)不斷重啟或者也不工作。

遇到上面這種情況應(yīng)該如何解決?


原因分析:

上面舉的栗子就是典型的供電功率不夠,工作瞬間造成電路中關(guān)鍵的電壓跌落,超出了某些芯片的允許的范圍,在示波器上的表現(xiàn)如下:


國(guó)產(chǎn)電磁兼容儀器設(shè)備


圖中的波形是USB接口接入板卡后,測(cè)試的5V波形,其中凹陷的地方就是電壓產(chǎn)生的跌落。


解決方法:

要解決電壓跌落的問(wèn)題,首先要確定是哪一部分的電路,一般情況下都是大電流的電路,可以在具體電路中進(jìn)一步 確定。

確定的具體的電路模塊后,就可以分析用哪種方法去補(bǔ)償這些跌落,可以選擇在負(fù)載供電的位置并聯(lián)低ESR的鉭電容或者電解電容(如果對(duì)PCB尺寸要求高,用鉭電容比較合適),那么電容的容值如何確定?


滿足負(fù)載續(xù)航時(shí)間的電容容量求取方法

電路正常工作時(shí)的輸入功率為P,儲(chǔ)能電容的容量為C,兩端的電壓為U1,則電容儲(chǔ)存的能量為W1=C(U12)/2,其中U12 表示U1的平方。


當(dāng)輸入電源掉電后,經(jīng)過(guò)時(shí)間t,電容兩端的電壓為U2,此時(shí)電容剩余電量為


W2=C(U2**2)/2


這一過(guò)程中儲(chǔ)能電容釋放的能量為


W=W1-W2=C(U12-U22)/2


他等于電路維持正常工作所需的能量


W=Pt,(即輸入功率乘以時(shí)間)


所以有


C(U12-U22)/2=Pt


由此就可以得到電路維持時(shí)間t所需的最小電容容量為


C=2Pt/(U12-U22)


在實(shí)際應(yīng)用中,U2是電路能夠正常工作的最低輸入電壓。


下面舉例說(shuō)明:


若電路正常工作時(shí)的輸入電壓為12V(U1),輸入功率為5W(P),能夠正常工作的最低輸入電壓為11V(U2),要求輸入電源掉電5ms(t)時(shí)電路仍然能夠正常工作,則所需儲(chǔ)能電容的最小電容量為


C=2Pt/(U12-U22)


=255/(122-112)


=2.174mF =2174uF


上述求取電容量的方法適用于直流電路,對(duì)于交流電路還要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。



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