1DSP和FPGA的電源要求

系統(tǒng)各個(gè)電源轉(zhuǎn)換芯片統(tǒng)一由蓄電池供電。電源模塊在用蓄電池加電時(shí)，其電壓上升過(guò)程中與達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前可能出現(xiàn)較嚴(yán)重的波動(dòng)。而DSP和FPGA在上電過(guò)程中如果電壓波動(dòng)較大，加載可能失敗并導(dǎo)致后續(xù)加載操作異常。為了保證加載成功，不會(huì)產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，所以在系統(tǒng)中加入了電壓監(jiān)控和復(fù)位電路，以確保DSP和FPGA芯片在系統(tǒng)加電過(guò)程中始終處于復(fù)位狀態(tài)，直到電壓達(dá)到所要求的電平。同時(shí)，一旦電源的電壓降到閾值以下，強(qiáng)制芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。因?yàn)橄到y(tǒng)用6V蓄電池供電，所以電壓不會(huì)超過(guò)6V，只需進(jìn)行欠壓監(jiān)控。

2電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中存在模擬電路和數(shù)字電路供電。本文重點(diǎn)介紹數(shù)字電路電源部分。

本設(shè)計(jì)采用TPS5431×系列電壓轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)數(shù)字電源系統(tǒng)，分別產(chǎn)生DSP和PFGA的內(nèi)核和外圍電壓以及+5V電壓。TPS5431×系列是低電壓輸入、大電流輸出的同步PWMBuck降壓式電壓轉(zhuǎn)換器，其電路外圍器件少，60mΩ的MOSFET開(kāi)關(guān)管保證了在持續(xù)3A的輸出電流時(shí)超過(guò)92%高效率；輸出電壓有0.9V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V可選，初始誤差為1%；PWM頻率范圍從280～700kHz；通過(guò)峰值電流限制和熱關(guān)斷實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)；加強(qiáng)散熱型的PWP封裝為芯片提供了更好的散熱；綜合解決了電路板面積和成本。

2.1內(nèi)核電壓的產(chǎn)生

本部分主要是為T(mén)MS320C6713B和EPIC12設(shè)計(jì)內(nèi)核供電系統(tǒng)，其內(nèi)核電壓分別為1.2V和1.5V，分別用TPS54312和TPS54313來(lái)產(chǎn)生，具體電路如圖1、圖2所示。為了滿足供電順序的要求，圖1、圖2中的PWRGD接到圖3中的SS/ENA腳。

參數(shù)的選取：芯片的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為700kHz，為此，需要保持FSEL腳開(kāi)路并在RT腳和AGND腳之間串聯(lián)71.5kΩ的電阻；輸出濾波電感的取值范圍在4.7“10μH之間，本文選用4.7μH的貼片電感；SS/ENA腳通過(guò)一個(gè)低容值電容接地，其功能為使能、輸出延遲和電壓上升延遲。其中延遲時(shí)間和電容值成正比，近似為：

式中：td為輸出延遲時(shí)間（秒）；C（SS）為SS/ENA腳所接電容（F）；t（SS）為輸出電壓上升延遲時(shí)間（秒）。

本設(shè)計(jì)內(nèi)核電壓電路中，C（SS）=0.039μF，根據(jù)式（1）、式（2）可得td、t（SS）分別為9.36ms和5.46ms。

2.2外圍電壓的產(chǎn)生及供電順序的實(shí)現(xiàn)

利用TPS54316來(lái)產(chǎn)生3.3V的輸出電壓。外圍器件參數(shù)的選取除SS/ENA腳處的電容外，其余與內(nèi)核電壓電路相同。外圍I/O電壓電路如圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)核和周邊I/O接口的電源供電順序，本文采取調(diào)整SS/ENA腳處的電容值和利用TPS5431×中的PWRGD和SS/ENA信號(hào)來(lái)控制的方法。一方面，在外圍電壓電路中選取C（SS）=0.1μF，根據(jù)式（1）、式（2）得td、t（SS）分別為24ms和14ms。在加電時(shí)，內(nèi)核比外圍早加電約23ms。另一方面，即使電容被擊穿，在加電起始，由于TPS54312和TPS54313輸出為未達(dá)到閾值（正常值的95%），PWRGD（信號(hào)）輸出低電平，TPS54316處于關(guān)閉狀態(tài)，直至內(nèi)核電壓穩(wěn)定。這樣就保證了內(nèi)核先加電；在關(guān)閉電源時(shí)，由于TPS54312和TPS54313輸出低于閾值，PWRGD信號(hào)輸出低電平，關(guān)斷TPS54316，保證了外圍I/O先掉電，實(shí)驗(yàn)測(cè)得外圍I/O早掉電10ms左右。由此可見(jiàn)，從兩方面都滿足了供電順序的要求。上電過(guò)程及掉電過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形分別如圖4、圖5所示。

2.3電壓監(jiān)控和復(fù)位電路

電壓監(jiān)控和復(fù)位電路采用TI公司的TPS3307-18D來(lái)實(shí)現(xiàn)。TPS3307-18D是一種微處理器電源監(jiān)控芯片，其特點(diǎn)是可同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號(hào)，可同時(shí)監(jiān)控三個(gè)獨(dú)立的電壓：3.3V/1.8V/可調(diào)電壓（其對(duì)應(yīng)的門(mén)限值分別為2.93V/1.68V/1.25V）。由于系統(tǒng)中的DSP、FPGA和Flash存儲(chǔ)器的復(fù)位信號(hào)都是低電平有效，所以用TPS3307-18D的

信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位，用

信號(hào)完成復(fù)位指示功能，對(duì)系統(tǒng)中的3.3V、1.5V和1.2V（放大到3.6V）三個(gè)電壓進(jìn)行監(jiān)控。電壓監(jiān)控和復(fù)位電路如圖6所示。

只要其自身的供電電壓在2V以上，并且被監(jiān)控的三個(gè)電壓中有一個(gè)低于其門(mén)限值時(shí)，就可以保證輸出有效的RESET信號(hào)；當(dāng)三個(gè)電壓的值都高于門(mén)限值前，復(fù)位信號(hào)則一直有效。另外，芯片還有一個(gè)手動(dòng)復(fù)位信號(hào)，通過(guò)復(fù)位按扭可以方便地進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)能可靠地為本測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，并具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快（25ms）、功率大（最高可達(dá)18W）、轉(zhuǎn)換效率高（達(dá)到93%）、輸出電壓波紋?。?.05V）及電壓調(diào)整率好（0.1%）的特點(diǎn)。然而電源波動(dòng)和上電順序所造成的電路上電失敗故障，只是涉及電源可靠性的一個(gè)方面，因此本文所舉的實(shí)際應(yīng)用例子可能并不適合于各種情況，其目的在于提醒設(shè)計(jì)人員在有關(guān)電源設(shè)計(jì)中可能存在的隱患，以供參考。

能量收集技術(shù)可用于為各種傳感器和電子設(shè)備提供自主可再生能源，使其能夠利用溫差產(chǎn)生能量。利用效率越來(lái)越高的器件，將為充分利用熱能收集的新解決方案鋪平道路。

在可穿戴系統(tǒng)中，用于熱能收集技術(shù)的一個(gè)有趣方法是利用熱能來(lái)產(chǎn)生一些小電流，這實(shí)際上利用的是人體溫度和環(huán)境溫度之間的溫度差。無(wú)論是在自然環(huán)境還是人工環(huán)境中，到處都存在溫度差。利用這些溫差或梯度都可以產(chǎn)生熱電能。

熱能

根據(jù)物理定律，系統(tǒng)的能量總是守恒的，只是能量有可能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。于是，從各種環(huán)境能源中獲取能量是可能的。

在人們生活周圍的環(huán)境中，充滿了溫度和熱量的變化。發(fā)動(dòng)機(jī)廢料產(chǎn)生的熱量、土壤產(chǎn)生的地?zé)帷撹F廠冷卻水產(chǎn)生的熱量以及其他工業(yè)活動(dòng)都是典型的例子。利用熱電產(chǎn)生器(TEG)和其他一些電子設(shè)備，就可以把熱能轉(zhuǎn)化為電能，然后還可以將其保存在存儲(chǔ)設(shè)備中。TEG的基本原理是熱流(由溫差引起)可以轉(zhuǎn)換為電能。它非常適合體積通常非常小、并且沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的固態(tài)低功耗嵌入式設(shè)備。

塞貝克效應(yīng)

塞貝克效應(yīng)是當(dāng)材料兩側(cè)之間存在溫度梯度時(shí)產(chǎn)生電壓的過(guò)程。TEG的基本元件是p-n結(jié)，它由熱電材料p和n的單個(gè)結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)電氣串聯(lián)連接，并摻雜有硼(p)和磷(n)等雜質(zhì)。

TEG模塊的基本建構(gòu)塊是幾個(gè)串聯(lián)的p-n對(duì)。p-n對(duì)在此配置中平行排列，以產(chǎn)生與溫度梯度成比例的電壓。要正常工作，設(shè)備的熱(Th)側(cè)和冷(Tc)側(cè)必須處于不同的溫度。熱電材料的性能(由熱電優(yōu)值ZT測(cè)得)由公式(1)給出：

ZT=S²T/σλ????????????????(1)

式中，S是塞貝克系數(shù)，ρ是電阻率，λ是導(dǎo)熱系數(shù)，而T是測(cè)量熱電性能的溫度。ZT測(cè)量在給定溫度梯度下可以產(chǎn)生的電能量：材料的ZT值越高，其熱電性能越好。通過(guò)增加功率因數(shù)PF(PF=S²÷ρ)，或降低熱導(dǎo)率λ(λ=λ_e+λ_ph，λ_e和λ_ph分別表示電子和聲子貢獻(xiàn))，都可以提高給定材料的熱電性能。

塞貝克系數(shù)、電阻率和熱導(dǎo)系數(shù)是決定熱過(guò)程效率的三個(gè)因素。這三個(gè)既不同卻又相互依存的物理特性，共同構(gòu)建卓越性能。因此，很難或不可能在不損害另一個(gè)的情況下改進(jìn)其中任何一個(gè)。唯一可以自由調(diào)節(jié)而不會(huì)對(duì)其他量產(chǎn)生影響的量是λ_ph(T)。因此，縮小尺寸是提高整體效率的最有效的策略。

材料

基于電池的解決方案每天都在變得更小且更加有效。對(duì)于一些低功耗應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)傳感器，再進(jìn)一步提高電池壽命已不太可能。因此，這些設(shè)備將從能量收集技術(shù)中受益匪淺。對(duì)能量收集的興趣引發(fā)了互補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展，包括超低功率(皮瓦級(jí))微電子和超冷凝。

一種優(yōu)異的熱電材料必須具有較強(qiáng)的塞貝克效應(yīng)，導(dǎo)電性能應(yīng)該盡可能地好，而導(dǎo)熱特性則應(yīng)該盡可能地差。很難找到一種符合所有這些要求的材料，因?yàn)閷?dǎo)電性和導(dǎo)熱性通常是齊頭并進(jìn)的。

研究人員最近成功開(kāi)發(fā)了一種ZT值在5到6之間的新型材料。這種新材料由一層薄薄的鐵、釩、鎢和鋁組成，應(yīng)用于硅晶體，從而傳感器電源行業(yè)可能會(huì)徹底改變，使傳感器能夠從環(huán)境中自行發(fā)電。

根據(jù)可用的溫度梯度，TEG每平方厘米可以產(chǎn)生20μW到10mW的功率。

設(shè)計(jì)技巧

目前市場(chǎng)上已有幾款適用于熱能收集的集成電路，包括TI的BQ25570，能夠從TEG中提取微瓦到毫瓦級(jí)的功率，還有e-peas的AEM10941，以及ADI和瑞薩的其他集成電路。BQ25570集成有電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)使用雙電路來(lái)提高電壓，同時(shí)防止電池過(guò)充或爆炸。收集的能量可以存儲(chǔ)到可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級(jí)電容器或傳統(tǒng)電容器中。

超級(jí)電容器是有效應(yīng)用能量收集的技術(shù)前提。它們是具有極高容量的電容器，同時(shí)具有電解電容器和充電電池的功能特性。然而，它們每單位體積或質(zhì)量存儲(chǔ)的能量比電解電容器多10倍，甚至是100倍，電荷累積速度遠(yuǎn)高于充電電池的典型速度，并且充放電循環(huán)次數(shù)比充電電池更多。

當(dāng)TEG板之間存在足夠的溫差，從而在其端子上產(chǎn)生電壓時(shí)，該過(guò)程開(kāi)始。BQ25570包括一個(gè)升壓充電器和一個(gè)納米功率降壓轉(zhuǎn)換器(圖2)，它可以提取功率，功率大小根據(jù)溫差而變化，從微瓦到毫瓦級(jí)不等。由于內(nèi)置升壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓隨后被升壓到3.3V，效率可達(dá)到93%。

能量收集時(shí)，有兩種方法可存儲(chǔ)輸入的能量：即使用電容器或電池來(lái)儲(chǔ)存電荷。當(dāng)使用傳統(tǒng)電容器或超級(jí)電容器時(shí)，有一些指南可幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行選擇：

選擇ESR低(<200mΩ)的電容器

1.2V時(shí)的泄漏電流必須小于1μA

大型電容器充電較慢，但可以存儲(chǔ)大量電荷。另一方面，小型電容器充電非常快，增加了啟動(dòng)時(shí)間。

根據(jù)應(yīng)用情況，電容器值可通過(guò)公式(2)求得：

C=15×V_OUT×I_OUT×T_ON???????????????????(2)

其中，V_OUT是能量收集傳感器的輸出電壓，I_OUT是來(lái)自能量收集傳感器的平均輸出電流，T_ON是IC接通時(shí)間。

如果傳感器無(wú)法提供足夠的功率，存儲(chǔ)電容器將使系統(tǒng)維持一定時(shí)間。

熱電能量收集器的功率調(diào)節(jié)也非常重要。即使在最大功率運(yùn)行時(shí)，熱電產(chǎn)生器的輸出電壓也很小，因?yàn)樗碾妷汉艿汀．?dāng)能量采集器給電池充電時(shí)，電源調(diào)節(jié)電路會(huì)保護(hù)電池不會(huì)過(guò)充電。同樣，當(dāng)溫度變化時(shí)，功率調(diào)節(jié)用于穩(wěn)定輸出電壓。

通過(guò)許多因素，包括輸入阻抗、功率控制和濾波，調(diào)節(jié)電路在能量收集系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。傳感器(無(wú)論是熱源、光伏源還是振動(dòng)源)、電源調(diào)節(jié)電路、微控制器和存儲(chǔ)設(shè)備(超級(jí)電容器)都是最關(guān)鍵的部件。

氣體監(jiān)測(cè)傳感器的類型

用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)?(AQM)?的氣體分析儀有兩大類。根據(jù)監(jiān)管部門(mén)接受度，排名第一的仍是傳統(tǒng)分析儀器，例如氣相色譜?(GC)、質(zhì)譜?(MS)、化學(xué)發(fā)光?(CL)、紫外/可見(jiàn)?UV/VIS、激光和光聲系統(tǒng)。多年以來(lái)，這些現(xiàn)場(chǎng)便攜、甚至可穿戴的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出卓越的性能，而且多數(shù)已獲得?EPA、世界衛(wèi)生組織?(WHO)?和其他國(guó)家及國(guó)際組織的批準(zhǔn)或認(rèn)可。但對(duì)用戶而言，傳統(tǒng)分析儀也存在諸多缺陷，例如使用成本過(guò)高、電力需求大，并且通常需要頻繁的維護(hù)。這限制了它們?cè)趶V泛性氣體監(jiān)測(cè)中的普遍采用。排名第二的是基于不同設(shè)計(jì)原理的傳統(tǒng)氣體傳感器，如基于電化學(xué)和金屬氧化物?(MOx)?、Pellistor、非色散紅外?(NDIR)?或其他。為了應(yīng)對(duì)的氣體傳感器應(yīng)用繁多的現(xiàn)狀，如消費(fèi)者可用的室/內(nèi)外?AQM、醫(yī)療診斷和國(guó)土安全等不同領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對(duì)價(jià)格合理且高性能傳感器的需求凸顯。近年來(lái)，氣體傳感器制造商已經(jīng)采取了一些新的技術(shù)和制造規(guī)范，包括電化學(xué)傳感器中的非水電解質(zhì)，以及MOx、Pellistor?和?NDIR?傳感器中采用的微加工MEMS技術(shù)。這些技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了功率、成本以及尺寸方面的優(yōu)化。尤其是尺寸方面的進(jìn)步更加醒目，部分現(xiàn)代傳感器的尺寸甚至從一顆櫻桃的大小縮小到一粒米的大小。

氣體傳感器的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

為了解不斷增長(zhǎng)的氣體傳感器市場(chǎng)趨勢(shì)，SEMI?MEMS?和傳感器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟?(MSIG)?聯(lián)絡(luò)了多家氣體傳感器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商，研究現(xiàn)有的傳感器模塊是否能夠滿足他們的需求，明確傳感器制造商們需要解決的共同痛點(diǎn)，以便跟上要求苛刻的新應(yīng)用的腳步。在參與調(diào)查的公司中，目標(biāo)應(yīng)用范圍從個(gè)人健康監(jiān)測(cè)到智慧城市的大范圍環(huán)境監(jiān)測(cè)不等。大多數(shù)公司都指出，空氣質(zhì)量是其關(guān)注的主要參數(shù)。盡管用例不同，但多數(shù)公司都希望他們的應(yīng)用能夠在室內(nèi)和室外環(huán)境中以同樣高精度水平的工作。然而，調(diào)查結(jié)果顯示，并沒(méi)有一款適合所有用例的解決方案。室內(nèi)和室外的污染物不同，針對(duì)不同污染物的檢測(cè)技術(shù)能力也各有所長(zhǎng)。該次調(diào)查收集了傳感器的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，包括精度、尺寸、數(shù)據(jù)速率、功耗、標(biāo)定和價(jià)格，以及每個(gè)參數(shù)對(duì)其應(yīng)用的影響。這些公司還提供了對(duì)裸傳感元件以及傳感器系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。傳感器系統(tǒng)中包含了標(biāo)定、數(shù)據(jù)傳輸和傳感器邏輯等輔助組件。精度：在沒(méi)有混雜氣體的情況下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，大約一半的受訪公司對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有傳感器的精度感到滿意。氣體傳感器制造商正在努力提高傳感器對(duì)目標(biāo)氣體的選擇能力，同時(shí)降低其他氣體的干擾。報(bào)告中對(duì)漂移和標(biāo)定等其他問(wèn)題也有提及。近幾年來(lái)，氣體傳感器在大多數(shù)關(guān)鍵性能參數(shù)方面都有了巨大的改善。MEMS等新技術(shù)也越來(lái)越多地綜合利用傳感器硬件、集成氣體過(guò)濾器和軟件技術(shù)，以提高性能，并達(dá)到可以與傳統(tǒng)分析儀器解決方案相媲美的性能水平。尺寸：此次調(diào)查涉及的傳感器封裝尺寸從3mm?x?3mm到10mm?x?10mm不等。氣體傳感器的尺寸取決于設(shè)備采用的技術(shù)。金屬氧化物傳感器的尺寸可以很小，滿足3mm?x?3mm的尺寸要求；而NDIR、電化學(xué)和Pellistor傳感器則相對(duì)較大。數(shù)據(jù)速率：多數(shù)參與調(diào)查的公司并未報(bào)告他們偏好的數(shù)據(jù)速率，提供信息的頻率從每秒一次到每10分鐘一次不等。通常，氣體傳感器的數(shù)據(jù)速率應(yīng)與所監(jiān)測(cè)氣體濃度變化的預(yù)期時(shí)間常數(shù)相當(dāng)。例如，智能辦公大樓可以根據(jù)被監(jiān)測(cè)房間的體積和空氣交換速度，以每1-10分鐘一次的數(shù)據(jù)速率檢測(cè)二氧化碳濃度的變化。相比之下，考慮到室外有風(fēng)模式的動(dòng)態(tài)條件，在智慧城市的都市環(huán)境中檢測(cè)公共汽車站附近氣體的突變，其數(shù)據(jù)速率應(yīng)約為每秒一次。功耗：各公司提交的數(shù)據(jù)顯示，功耗范圍從100μW到1W不等。我們猜測(cè)如此寬范圍可歸因于設(shè)備是電池供電還是線路供電。氣體傳感器是系統(tǒng)的一部分，通常需要直接在系統(tǒng)功耗與其數(shù)據(jù)速率之間進(jìn)行權(quán)衡，降低數(shù)據(jù)速率將有助于降低功耗。但現(xiàn)代氣體傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備數(shù)字接口和可編程性，利用睡眠模式、斷電或其他類似技術(shù)也可優(yōu)化功耗。標(biāo)定：參與調(diào)查的公司都存儲(chǔ)了特定應(yīng)用的標(biāo)定參數(shù)，無(wú)論是采用裸傳感元件還是傳感器系統(tǒng)。大多數(shù)公司都希望氣體傳感器系統(tǒng)在出廠之前進(jìn)行標(biāo)定，但同時(shí)也希望提供下線標(biāo)定（End?of?Line?Calibration）的選擇。令人意外的是，這些公司都表示愿意在發(fā)貨前進(jìn)行下線標(biāo)定，盡管這通常會(huì)增加成本。這種意愿表明了高精度的重要性，而且各公司都愿與傳感器制造商共同努力，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。價(jià)格：對(duì)于氣體傳感器當(dāng)前的定價(jià)，各公司的滿意度則參差不齊，具體取決于他們購(gòu)買的是裸傳感元件還是包含標(biāo)定、數(shù)據(jù)傳輸、傳感器邏輯或其他功能的傳感器系統(tǒng)。預(yù)期價(jià)格范圍從大批量消費(fèi)設(shè)備的幾美元到工業(yè)或汽車用例的10多美元不等。最新的氣體傳感技術(shù)進(jìn)步使降低成本成為可能。例如，通常采用體硅工藝的 MEMS解決方案就有降低成本的可能性，盡管這些技術(shù)還不是目前使用的廣泛性氣體傳感器解決方案。此外，非氣體傳感器中的大多數(shù)MEMS平臺(tái)都集成了數(shù)字功能，這使其更容易被更大的傳感器網(wǎng)絡(luò)控制或集成，從而有可能為最終用戶降低這些傳感器的總擁有成本（TCO）。傳感器系統(tǒng)標(biāo)定是 MEMS和任何其他傳感器系統(tǒng)成本的重要組成部分，業(yè)界已將其確定為降低成本的關(guān)鍵步驟。

問(wèn)題是，如果將其應(yīng)用到最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能通過(guò)改變什么參數(shù)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)呢？

人們可能認(rèn)為，對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化天線可能會(huì)很容易。畢竟，他們已是專家，并在工作過(guò)程中，目睹過(guò)或親自經(jīng)歷過(guò)不少失敗，并吸取過(guò)不少經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。然而，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直在快速升級(jí)，年輕的設(shè)計(jì)師根本沒(méi)有犯錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)，而且還要求他們?cè)诟痰臅r(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)產(chǎn)品上市，并保證設(shè)計(jì)“一次成功”，這如何實(shí)現(xiàn)呢？解決方案是利用EDA軟件！因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬?，電子設(shè)計(jì)是可以利用軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

本文討論一款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的藍(lán)牙天線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是將藍(lán)牙天線集成到無(wú)顯示器的產(chǎn)品中，并利用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種配置。實(shí)際上這也是一項(xiàng)常用設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)概念同樣適用于其他各類不同產(chǎn)品。

通過(guò)網(wǎng)上搜索，找到了Cypress半導(dǎo)體的一款藍(lán)牙天線參考設(shè)計(jì)。不過(guò)其說(shuō)明書(shū)中已注明，該設(shè)計(jì)僅供參考，并不能用作實(shí)際產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)。因?yàn)樗皇菫閷?shí)驗(yàn)室工作而設(shè)計(jì)的，目的是為軟件工程師搭建開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使他們?cè)赑CB設(shè)計(jì)出來(lái)之前，就能夠同步進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

由于原理圖、BOM和PCB布局等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，均以Cadence?Allegro格式提供，因此可將其作為優(yōu)化的起點(diǎn)。不過(guò)該參考設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中用的是大連接器。

故該設(shè)計(jì)有兩個(gè)目標(biāo)，分別是天線小型化和天線性能優(yōu)化。當(dāng)利用剛?cè)酨CB來(lái)替代大連接器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)的小型化。但這會(huì)對(duì)天線性能產(chǎn)生什么影響呢？對(duì)此進(jìn)行了一系列“假設(shè)”分析，以了解這些變化的影響，并提出實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)的正確策略。

微波設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和設(shè)置非常簡(jiǎn)單。端口是以自動(dòng)方式設(shè)置的，設(shè)計(jì)師必須輸入一些用于網(wǎng)表的參數(shù)。另外，還輸入了所選PCB的實(shí)際材料值，包括合適的厚度和介電常數(shù)值(FR-4：標(biāo)準(zhǔn)Isola?370HR，ε_r=4,0)。

在初次分析中，重點(diǎn)研究了折式倒置型F天線的長(zhǎng)度、以及芯片和天線之間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)2.45GHz設(shè)計(jì)頻率上的天線回波損耗，通過(guò)各種天線長(zhǎng)度的組合掃頻分析，得出了天線最佳長(zhǎng)度。

快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)

反向恢復(fù)過(guò)程

所有的PN結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時(shí)，都以少數(shù)載流子的形式存儲(chǔ)電荷。少子的注入引起的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)可降低通態(tài)電壓(VF),從這個(gè)意義講，它對(duì)二極管是有益的。但是當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加一反向電壓時(shí)，由于二極管內(nèi)存有大量的少子，故在二極管截止前，需要一段時(shí)間將這些少子全部中和或抽出，這個(gè)過(guò)程就是反向恢復(fù)過(guò)程，所需的時(shí)間就是反向恢復(fù)時(shí)間(trr)。

反向恢復(fù)的全過(guò)程可分為五部分，如圖1所示。在時(shí)間t0之前，快恢復(fù)二極管處于正向?qū)顟B(tài)，空穴向基區(qū)N-擴(kuò)散，電子由N-區(qū)向P+區(qū)擴(kuò)散，此過(guò)程二極管內(nèi)存儲(chǔ)大量的少數(shù)載流子。

t0-t1(電流下降過(guò)程)：當(dāng)t0時(shí)，快恢復(fù)二極管被加上反向電壓VR。此時(shí)P+N-結(jié)的N-區(qū)存在的大量少數(shù)載流子依然向陰極方向擴(kuò)散，且濃度大于由N-區(qū)往P+區(qū)抽出和復(fù)合消失的少數(shù)載流子濃度，故電流依然保持正向流動(dòng)的方向(只分析了N-區(qū)的少子，P+區(qū)的少子同理)。隨著N-區(qū)邊緣的少數(shù)載流子濃度愈來(lái)愈小，電流雖保持正向流動(dòng)的方向，但其值在以di/dt的速度逐漸減小(di/dt的大小由反向電壓VR，電路的電感系數(shù)及電路結(jié)構(gòu)決定)。直至t1時(shí)，N-區(qū)邊緣的少子擴(kuò)散濃度與基區(qū)N-區(qū)向P+區(qū)漂移的少子濃度相持平，此時(shí)電流開(kāi)始反向。

t1-t2(電荷存儲(chǔ)過(guò)程)：N-區(qū)邊緣的空穴繼續(xù)被抽出和復(fù)合掉。直至?xí)r間t2時(shí)，空穴的濃度低于N-區(qū)熱平衡值(總的熱載流子濃度為零)，致使電壓開(kāi)始反向開(kāi)始形成耗盡層。

t2-t3(電壓上升過(guò)程)：耗盡層形成以后，加劇漂移區(qū)的過(guò)剩載流子的抽取，且反向電壓以dv/dt的速度增大。隨著電壓不斷增大，耗盡層寬度越來(lái)越大，直到電壓達(dá)到外加電壓VR時(shí)(di/dt=0)，電流到達(dá)最大Ipr。

t3-t4(感應(yīng)過(guò)程)：電流達(dá)到最大值Ipr后，則以diR/dt的速度衰減，在感性負(fù)載的影響下，反向電壓將進(jìn)一步增加直至t=t4時(shí)。此時(shí)恢復(fù)電壓達(dá)到最大值Vpr，同時(shí)二極管的耗盡層也達(dá)到最寬。

t4-t5(恢復(fù)過(guò)程)：電壓的回降使得耗盡層隨之變窄，到t5時(shí)電壓和耗盡層寬度基本下降到穩(wěn)定值，電流達(dá)到漏電流。而反向恢復(fù)失效往往發(fā)生在此過(guò)程。

一、PLC對(duì)PCB板的需求

PLC作為工業(yè)控制核心,對(duì)PCB板性能提出高要求:

1. 高可靠性、抗干擾性以及長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性
2. 精確的散熱與防護(hù)設(shè)計(jì)
3. 考慮極限環(huán)境下的工作條件
4. 高密度布線匹配復(fù)雜電路

二、文德豐的PLC控制PCB解決方案

文德豐科技長(zhǎng)期專注通信和工控PCB領(lǐng)域,在PLC控制系統(tǒng)PCB具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì):

1. 30多年卓越的PCB設(shè)計(jì)制造
2. 可選FR-4/鋁基板高端材料
3. 先進(jìn)多層板工藝技術(shù)
4. 嚴(yán)苛的環(huán)保與安規(guī)測(cè)試
5. 成熟的質(zhì)量管理與交付體系

三、廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域

文德豐科技的專業(yè)PCB板廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控系統(tǒng)、智能傳感、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域,助力工業(yè)自動(dòng)化提質(zhì)增效。

一、新能源對(duì)PCB提出新挑戰(zhàn)

相比傳統(tǒng)能源,新能源設(shè)備在使用環(huán)境及轉(zhuǎn)換效率上提出了更高要求,這給PCB制造帶來(lái)新挑戰(zhàn):

1. 更強(qiáng)的耐熱性和穩(wěn)定性
2. 更高的絕緣與耐壓性能
3. 更優(yōu)異的散熱設(shè)計(jì)
4. 更精密的布線設(shè)計(jì)
5. 更完善的防護(hù)與屏蔽

二、文德豐新能源PCB具備的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)新能源行業(yè)的挑戰(zhàn),文德豐科技在新能源PCB制造方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì):

1. 先進(jìn)工藝確保產(chǎn)品可靠性
2. 優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)延長(zhǎng)使用壽命
3. 精密的布線提高系統(tǒng)工作效率
4. 嚴(yán)格的質(zhì)量管理保證產(chǎn)品一致性
5. 成熟的解決方案簡(jiǎn)化采購(gòu)流程

文德豐的新能源PCB廣泛應(yīng)用于光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域。

三、提供完整的新能源PCB解決方案

根據(jù)新能源企業(yè)的實(shí)際需求,文德豐科技可以提供完整的PCB解決方案:

1. PCB設(shè)計(jì)支持與技術(shù)交流
2. 高效靈活的產(chǎn)能支持
3. 完善的質(zhì)量測(cè)試與控制
4. 完整的技術(shù)培訓(xùn)和售后服務(wù)

相信我們的優(yōu)質(zhì)PCB產(chǎn)品和服務(wù),必將助力新能源產(chǎn)業(yè)更好地應(yīng)對(duì)電力電子新挑戰(zhàn)!

一、LED電路板的重要性

LED電路板是連接LED芯片與電源的 Important 部件,它的質(zhì)量直接影響LED產(chǎn)品的性能。優(yōu)質(zhì)的LED電路板應(yīng)具有:

1. 高穩(wěn)定性和可靠性
2. 良好的熱管理和散熱性能
3. 精細(xì)的布線設(shè)計(jì)
4. 符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)
5. 成本競(jìng)爭(zhēng)力

二、文德豐LED電路板的優(yōu)勢(shì)

文德豐科技專注PCB研發(fā)和制造十多年,在LED電路板領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì):

1. 先進(jìn)的裝配線技術(shù),確保電氣性能
2. 專業(yè)的散熱設(shè)計(jì),延長(zhǎng)LED使用壽命
3. 精益的生產(chǎn)流程,降低成本提高效率
4. 嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系,保證產(chǎn)品穩(wěn)定性
5. 充分的產(chǎn)能,可以應(yīng)對(duì)大批量生產(chǎn)

文德豐的LED電路板廣泛應(yīng)用于各類照明產(chǎn)品,深受客戶信賴。

三、提供完整的LED電路板解決方案

根據(jù)客戶需求,文德豐科技可以提供完整的LED電路板解決方案:

1. 幫助客戶進(jìn)行設(shè)計(jì)與輔助
2. 提供LED電路板生產(chǎn)定制化服務(wù)
3. 提供交期保障與售后技術(shù)支持
4. 提供性價(jià)比高的整體解決方案

文德豐科技期待與更多LED企業(yè)展開(kāi)長(zhǎng)期合作,共同推進(jìn)LED照明行業(yè)的發(fā)展!

一、5G對(duì)PCB板提出了更高要求

相比4G,5G對(duì)數(shù)據(jù)速率、連接密度、穩(wěn)定性都提出了更高要求。這對(duì)5G系統(tǒng)中的PCB板提出了嚴(yán)苛的考驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō),5G通訊PCB板需要具備:

1. 更高布線密度
2. 更低傳輸損耗
3. 更強(qiáng)的抗干擾性
4. 能夠適應(yīng)高頻信號(hào)
5. 熱管理更優(yōu)等

只有高品質(zhì)的PCB板才能滿足5G系統(tǒng)的需求。

二、文德豐5G通訊PCB具備的優(yōu)勢(shì)

文德豐科技作為專業(yè)PCB板制造商,我們?yōu)?G系統(tǒng)提供具備以下優(yōu)勢(shì)的高端通訊PCB板:

1. 采用高級(jí)材料,具備更好的高頻性能
2. 精密的布線設(shè)計(jì),確保布線密度和質(zhì)量
3. 先進(jìn)的工藝技術(shù),保證產(chǎn)品可靠性
4. 完善的質(zhì)量管理體系,全部產(chǎn)品100%檢測(cè)
5. 高效的生產(chǎn)能力與交期保障
6. 完整的售后技術(shù)支持和服務(wù)

高頻信號(hào)傳輸：5G通訊技術(shù)需要更高的頻率和更大的帶寬，這對(duì)PCB的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。PCB需要具備低損耗和高頻率信號(hào)傳輸?shù)哪芰?，以確保5G設(shè)備的通信質(zhì)量。

多層堆疊設(shè)計(jì)：為了滿足5G通訊技術(shù)對(duì)更多功能和更高性能的需求，PCB需要采用多層堆疊設(shè)計(jì)。通過(guò)在PCB上堆疊多層電路，可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更快的信號(hào)傳輸速度。

射頻信號(hào)管理：5G通訊技術(shù)中的射頻信號(hào)管理是至關(guān)重要的。PCB需要通過(guò)合理的布局和設(shè)計(jì)，降低射頻信號(hào)的干擾和損耗，以確保5G設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。

二、PCB在5G設(shè)備中的關(guān)鍵作用

信號(hào)傳輸媒介：PCB作為電子設(shè)備的核心媒介，承載著5G設(shè)備中的各種信號(hào)傳輸。它連接著各種組件和芯片，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和通信質(zhì)量。

電源管理：5G設(shè)備的高性能和大功耗對(duì)電源管理提出了更高的要求。PCB需要提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，同時(shí)降低電源噪聲和干擾，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

散熱和尺寸優(yōu)化：5G設(shè)備的高性能和高功率密度導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生大量的熱量。PCB需要通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)，將熱量有效地分散出去，以保持設(shè)備的正常工作溫度。同時(shí)，PCB還需要進(jìn)行尺寸優(yōu)化，以適應(yīng)5G設(shè)備越來(lái)越小型化的趨勢(shì)。
三、5G通信技術(shù)對(duì)PCB技術(shù)的影響

高頻率信號(hào)傳輸：5G通信技術(shù)需要更高的頻率和更大的帶寬，這對(duì)PCB的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。PCB需要具備低損耗和高頻率信號(hào)傳輸?shù)哪芰?，以確保5G設(shè)備的通信質(zhì)量。

多層堆疊設(shè)計(jì)：為了滿足5G通信技術(shù)對(duì)更多功能和更高性能的需求，PCB需要采用多層堆疊設(shè)計(jì)。通過(guò)在PCB上堆疊多層電路，可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更快的信號(hào)傳輸速度。

射頻信號(hào)管理：5G通信技術(shù)中的射頻信號(hào)管理是至關(guān)重要的。PCB需要通過(guò)合理的布局和設(shè)計(jì)，降低射頻信號(hào)的干擾和損耗，以確保5G設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。

四、5G通信技術(shù)推動(dòng)PCB技術(shù)創(chuàng)新的方向

高速通信技術(shù)：5G通信技術(shù)需要更高的速率和更大的帶寬，這推動(dòng)了PCB技術(shù)的創(chuàng)新方向，需要更高的層數(shù)和更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更快的信號(hào)傳輸速度。

小型化設(shè)計(jì)：5G通信技術(shù)對(duì)設(shè)備尺寸和重量的要求更高，這推動(dòng)了PCB技術(shù)向小型化設(shè)計(jì)方向發(fā)展，以適應(yīng)5G設(shè)備越來(lái)越小型化的趨勢(shì)。

高頻率信號(hào)傳輸：5G通信技術(shù)對(duì)高頻率信號(hào)傳輸?shù)囊蟾?，這推動(dòng)了PCB技術(shù)向高頻化方向發(fā)展，需要更高的信號(hào)傳輸速率和更低的信號(hào)損耗。