隨著電子產(chǎn)品尺寸變得越來越緊湊、功能越來越強(qiáng)大、用途更加廣泛，*終的系統(tǒng)級要求，以及移動和固定設(shè)備的復(fù)雜性也變得日益突出。這種復(fù)雜性來源于要求在模擬和數(shù)字電路之間實(shí)現(xiàn)無線和有線的互連，需要系統(tǒng)工程師使用多個(gè)電源軌和混合電路設(shè)計(jì)。具有模擬和數(shù)字信號的電路一般傾向于設(shè)置幾個(gè)接地參考，這樣經(jīng)常導(dǎo)致電路雜亂無章，設(shè)計(jì)目的無法實(shí)現(xiàn)，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(diǎn)放在理解電路的需求和預(yù)先規(guī)劃*終的系統(tǒng)，因?yàn)檫@兩個(gè)步驟的結(jié)果是有效地把圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)?終的印刷電路板。在設(shè)計(jì)階段花一些時(shí)間從電流路徑和噪聲敏感性的角度來考慮一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊，然后根據(jù)電流總是在一個(gè)循環(huán)回路中流動的簡單公理來設(shè)置這些模塊及供電電路，這樣當(dāng)今系統(tǒng)工程師所面對的復(fù)雜電路*可以分解為許多可管理的部分，以便實(shí)現(xiàn)*終的可靠設(shè)計(jì)。

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(gè)簡單的電路并考慮所示的連接。該基本電路包括三個(gè)要素，一個(gè)低壓差（LDO）線性調(diào)節(jié)器，一個(gè)微處理USB數(shù)據(jù)線接到音頻驅(qū)動器，和一個(gè)揚(yáng)聲器，所有這些都由一個(gè)連接到某個(gè)計(jì)算主機(jī)的USB插頭供電。在本例中，USB到音頻驅(qū)動器必須用3.3V供電。由于揚(yáng)聲器采用音頻驅(qū)動器的輸出供電，所以音頻輸入驅(qū)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(gè)顯而易見的結(jié)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(qū)動揚(yáng)聲器工作的電流在返回到電流源驅(qū)動器時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音樂的基準(zhǔn)電壓會以音樂播放的速率反彈。由于揚(yáng)聲器電感所產(chǎn)生的相移會增大誤差，這將和由于電流提升產(chǎn)生的高音量混合在一起。電壓反彈也將導(dǎo)致紋波出現(xiàn)，這將降低揚(yáng)聲器發(fā)出的音質(zhì)。

這將減少到達(dá)DC的紋波，之后電流只引起電壓降，并且不會隨時(shí)間而變化很多（上面等式中的Δt應(yīng)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(yīng)當(dāng)根據(jù)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(yīng)該采用圖1（b）中的方案來從根本上解決。LDO是放在音頻驅(qū)動IC的上方，可以使立體聲電流回路避免了敏感的音頻驅(qū)動GND，這樣產(chǎn)生的GND電壓反彈不會影響音頻驅(qū)動，只有小的紋波干擾出現(xiàn)。

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(fù)雜電路的電源和接地優(yōu)化策略

在上面的應(yīng)用案例中，只有兩個(gè)電流回路。現(xiàn)在，我們換一個(gè)更復(fù)雜的例子。下面考慮的是一個(gè)較為復(fù)雜的平板電腦系統(tǒng)。在本例中，平板電腦包括背光、觸屏、攝像頭、充電系統(tǒng)（USB和無線）、藍(lán)牙、WiFi、音頻輸出（揚(yáng)聲器，耳機(jī)）、以及用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器。當(dāng)然，這些應(yīng)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(tǒng)具有五個(gè)電源軌和兩種給電池充電的方法，這意味著至少會有五個(gè)電流回路。但相比直流電源，以及相關(guān)的各條電流路徑，實(shí)際應(yīng)用中有更多需要考慮的方面。電路中有多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，廣播和接收天線系統(tǒng)，所有這些都需要使用微處理器來協(xié)調(diào)和控制。展示的與電源和它們供電的模塊相關(guān)聯(lián)的電源路徑和GND路徑，有助于將電源和負(fù)載電流評估進(jìn)行匯總，從而實(shí)現(xiàn)以下目的：

在圖2中，主電源軌已被顏色編碼，流經(jīng)相應(yīng)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(gè)與電池充電不相關(guān)的部件（紅色），有一個(gè)端電流返回到電池，但USB到音頻IC由3.3V BUCK調(diào)節(jié)器供電，而它是由5V Boost調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器，然后到達(dá)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(tǒng)采用了一個(gè)鋰離子電池，通過USB充電器或無線功率發(fā)射器和接收器可以進(jìn)行充電。電池電壓可被升壓到+ 5V（用于相機(jī)變焦馬達(dá)、針對微處理器的+3.3V降壓調(diào)節(jié)器、音頻和觸摸屏），可降壓到+ 1.2V（用于微處理器、存儲器、藍(lán)牙和WiFi），也可升壓到+ 7V用于相機(jī)閃光燈。顯然，電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)放在各自的負(fù)載附近，但*終由于產(chǎn)品形狀尺寸的限制，通常迫使設(shè)計(jì)者把負(fù)載放在距離電源較遠(yuǎn)的位置，或在電路板周圍混雜放置?？梢钥闯?，每個(gè)電源需要支持多個(gè)負(fù)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(chǎn)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(jī)械方面的約束，ⅲ）電源和GND軌可接受的電壓降（負(fù)載電流和跡線/平面正方形數(shù)目的乘積），ⅳ）電源和GND電流路徑，以及v）成本（PCB層數(shù)，組件），ⅵ）數(shù)字或模擬信號的頻率，以及從電源直接返回路徑的可行性。