业界专家：如何应对设计挑战
发布时间：2012-4-18 16:17
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相关媒体的调查结果显示，EMI/抗干扰设计、电源管理、信号处理、无线/RF设计、嵌入式应用软件、低噪声电路设计、PCB设计是工程师在系统设计过程中面临的关键设计挑战。在此，我们邀请了EMI/抗干扰设计、电源管理以及PCB设计领域的几位业界专家，请他们分享一些设计心得和技巧。 电源管理的关键是降低功耗 1．从系统层面管理功耗和效率 不同终端产品对电源管理技术的要求千差万别。以便携电源产品为例，便携式产品集成的功能越来越多，而由于空间的限制，要求芯片级产品具有更小的体积，更高的集成度，更少的外围器件。这就意味着电源管理IC要应对电池使用时间、高集成性、可靠性、外形因子以及成本等方面的挑战。ADI公司电源管理部门市场工程师张洁萍强调，目前便携产品的电源管理系统仍存在一些技术上的难题，主要体现在：如何提高电源效率；平衡效率与尺寸：提高频率可以使用较小的电感，从而有效减少PCB面积，但提高频率的同时，也会降低系统的效率；RF和音频线路则要求电源管理系统具有更低的噪音和更高的隔离。 另外，高效、节能、环保是未来产品发展的趋势，如何提高系统电源的效率是厂商们所关心的问题之一。电源管理技术供应商已不仅仅局限在电源技术本身，从而形成了对更多的系统级知识的要求，比如对系统级信号处理技术的把握，以及电源管理和信号处理的结合，因此，实现在整个信号链上管理功耗和效率变得越发关键。 针对以上的困难及挑战，ADI公司为当今低功耗应用提供高度集成、高能效、PCB面积需求更低的电源管理解决方案，可帮助系统架构师设计高能效电源系统。ADI产品的优势在于频率高、体积小、效率高、集成性强、噪声低、静态电流低、动态电压可调和灵活的接口。这些优势很好地解决了当今低功耗系统的电源挑战。同时，ADI公司通过改进功率器件工艺进而提高电源管理产品的效率。另外，从系统角度出发，符合系统应用及工作状态的控制方式极大地提高了系统效率。控制器件通过检测系统的工作状态，动态地调节输出电压来达到效率优化的目的。随着系统容量的不断扩充、电源的通道数增加，控制器件通过检测输出功率、调节输出通道的开通与关断来达到提升系统效率的目的。最后，ADI对前沿工艺大胆尝试，在集成度及功率密度等方面具有领先优势，如将多裸片集成封装，集成MOS采用特殊的沟道方式等。 张洁萍补充说，开发人员在选择方案及元器件时还应考虑一定的冗余度、可扩展性、前瞻性。元器件在满足功能的条件下，在具有足够的可靠性的同时，完善的保护性能也是应该考虑的因素。 2．改善智能手机系统功耗的途径 智能手机设计人员和半导体厂商一直在探讨如何让有限的电池容量提供更长的工作时间。延长智能手机工作时间的最简单方法是提高电池容量。但是，功能手机的电池容量已经从500mAh提高到接近2000mAh。由于空间有限，要进一步将电池容量增加到2000mAh以上已经不太可行。虽然大多数新型智能手机的电池材料是锂离子聚合物，相比之前的产品具有更高的电量存储密度，但是仍不足以满足电量消耗要求。 在当前的电池解决方案中，除了增加电池体积来获得更多能量之外，还可以拓宽电池的工作电压范围，以便释放更多的能量。例如使工作电压范围拓宽到从2.5V至4.325V。看起来这是个很好的想法，但其实并不尽然。现今手机电池的最小输出电压约为3.2V至3.3V，因为RF PA或存储器芯片等外设器件仍然只能工作于3.2V或更高电压。如果电池工作电压降至2.5V，则需要使用外部升压方式将电池电压从2.5V提升至3.3V。这会增加电路板面积并提高BOM成本。另一个考虑因素是升压转换器的效率，其典型值在80%左右。如果电池的工作电压范围拓宽，则可多获得10%～15%的能量。整个系统实际可以多获取8%至12%的能量。 能够为电池单元提供更大电量容量的其它新材料正处于研究之中，但是距离真正上市阶段仍然有很长的路要走。如何减小智能电话系统的功耗，仍然是所有电话制造商面对的挑战。 飞兆半导体公司高级市场业务推广经理李文辉认为，在智能手机中，电源管理集成电路（PMIC）是非常关键的元件。通过使用先进的制造技术，PMIC已经能够处理不同输出电压/电流要求中的更多电源轨。但是，处理3A以上的大电流输出电源轨并不容易。根据目前单独应用处理器（AP）或高级基带处理器（BB）的发展，ARM平台中的多核应用成为主流。这些多核处理器工作于低电压和大电流（3A或以上）条件。处理器制造商还在工作电压控制中集成了节能技术。在轻负载条件下，处理器工作于更低的Vin范围，以达到节能的目的，因而需要使用一个带有动态电压调节（DVS）的外部降压转换器。 3．利用变速电机驱动器节省电力 实现更大的节能始终是电源管理的一个重大挑战。在诸如泵、空调、冰箱、洗衣机、电梯和传送机等各种应用中的电机，几乎消耗了地球上一半以上的电量。大多数这样的设备都由感应电机运行，因为它们采用是低成本机电驱动器，仅能以全速或者不运行两种方式控制电机，因此将消费大量电能。当采用永磁同步电机（PMSM）时，可以很方便地转为变速运行模式，从而尽可能多地节省电力。 变速驱动器额外的优势还包括更低的声音和电噪声，以及更低的振动水平。在一些例子中，可以采用带有开/关驱动的更小型、更大功率的电机。精确控制电机的能力也允许设计者采用新的特点或性能，从而对市场上的产品进一步的细分。 IR亚太区销售副总裁潘大伟表示，设计人员非常希望在下一代应用中采用变速电机驱动器。但与传统的开/关通用电机相比，变速电机需要更精密的驱动和控制电路，并要增加设计工艺的复杂性。因此，我们需要一种新的方法，利用变速电机驱动设计和运行，降低成本、时间和风险。为满足这些需求，国际整流器公司（IR）开发了适用于电机控制应用的iMOTION平台。iMOTION为设计者提供与IP和软件工具相兼容的硬件模块功能，这些工具可以迅速整合起来创建一个专用的变速电机驱动。 设计的核心是一个整合了一个称为运动控制引擎（MCE）的IP模块的专用控制IC，它采用了在硬件中进行闭环控制所需的所有控制元件，因此省去了产品设计者进行软件开发的责任。支持空间矢量PWM和电机电流反馈接口的运动硬件外设以及用于并行多回路控制的流量控制逻辑也可以单片执行。在逻辑硬件中还包括闭环速度控制和闭路电流控制的同步执行。设计者可以快速的优化IC，以适应所选电机的参数和采用PC软件工具的其它系统参数，提供一个配置内部寄存器的界面。 4. 工业类嵌入式产品的低功耗需求 随着半导体技术和相关应用水平的迅速提高，近几年，在工业类嵌入式应用中，低功耗也逐渐成了一个普遍要求。除了传统的工业手持式设备，如手持式测试类仪器，手持式人机交互设备，一些新兴的应用，如楼宇自动化，家庭智能化，智能电网，金融终端等应用也越来越多地将低功耗纳入设计需求。飞思卡尔中国区32位MCU FAE团队负责人张瑞介绍说，飞思卡尔半导体Kinetis系列微处理器就是一款针对工业类嵌入式的32位微处理器。它是全球第一款采用最新ARM Cortex-M4内核的芯片。这款采用Cortex-M4内核的Kinetis微处理器系列在低功耗方面实现了突破。 Kinetis系列采用了在中低端微处理器中很少见的90nm工艺，片内Flash更是采用了90nm TFS技术，相比传统工艺可以降低约1/3动态功耗。智能功耗管理控制器降低动态功耗和漏电流。增加了4种全新的功耗模式，客户可以根据应用需求更灵活地选择功耗模式，从而达到降低功耗的目的。超快的唤醒时间： Kinetis系列微处理器从Low Leakage Stop模式唤醒，仅仅需要4微秒。 电磁干扰的来源和解决方法 1．触摸屏电磁干扰源分析和应对 当今广泛用于便携式设备的投射式电容触摸屏，很容易受到电磁干扰的影响。Silicon Labs公司应用工程师Vadim Konradi指出，来自内部或外部的干扰电压会通过电容耦合到触摸屏设备，这些干扰电压引起触摸屏内的电荷运动，可能会对手指触摸屏幕时的电荷运动测量造成混淆。因此，触摸屏系统的有效设计和优化取决于对干扰耦合路径的认识，并对其尽可能进行消减或补偿。 干扰耦合路径涉及到寄生效应，例如变压器绕组电容和手指-装置间电容。对这些影响进行适当的建模，可以充分理解和认识到干扰的来源和大小。 对于许多便携式设备来说，电池充电器构成触摸屏主要的干扰来源。当操作人员用手指接触触摸屏时，所产生的电容使得充电器干扰耦合电路得以关闭。充电器内部屏蔽设计的质量以及是否有适当的充电器接地设计，是影响充电器干扰耦合的关键因素。 2．解决高精度ADC设计干扰问题 高精度ADC设计中主要问题来自空间辐射干扰和来自电源的EFT干扰。空间辐射干扰会对24位高精度ADC带来性能上的损失，甚至让AD转换结果完全无效。EFT干扰则会导致MCU产品出现功能失常，甚至死机。 芯海科技产品研发中心总监刘小灵指出，空间辐射对高精度ADC的干扰，需要通过产品的外壳屏蔽和PCB布局技巧来解决。当然，芯片内部的处理会比前两者更重要。因为完全屏蔽空间辐射对于大多数产品而言，成本过于高昂，但是芯片内部电路设计上，通过对采样速度、偏置电流和系统功耗的折衷，就能较轻松地处理好抗干扰问题。 EFT干扰的处理也类似，除了系统级防护之外，芯片内部设计尤为重要，芯海科技目前设计的通用8位Flash MCU产品CSU2112，其ESD可以通过HBM 8KV测试，EFT可以通过4.8KV测试，达到业界领先水平。在LED调光产品、小家电控制产品这些强电应用场合，无需完善的外壳屏蔽即可轻松通过EMC/EMI测试。这都要归功于芯片内部抗干扰电路，通过设计技巧，可以把干扰的能量和正常的能量进行区分，并有针对性地泄放来自电源的非正常脉冲干扰。 优化PCB设计的要素 1．数模混合PCB设计的挑战及对策 数模混合设计一直是PCB设计的难点。模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。模拟信号很容易受到干扰，开关电源、时钟信号、数字信号都是干扰模拟信号的罪魁祸首。汉普电子技术总监武凌燕介绍了该公司在数模混合PCB设计领域积累的一些设计经验。 电源的处理：数字电源模拟电源分离，模拟电路部分一般建议使用线形电源（LDO），如果模拟电源电流比较大，而LDO的效率低下导致的发热无法解决的话可以使用开关电源，但是必须注意良好的滤波甚至使用CLC的滤波电路或者使用电源滤波器等。 地的处理：关于数字地模拟地是否分离这一问题有很多争论。个人认为，哪种方式都可行，应该更多地关注模拟信号的回路和数字信号的回路是否在各自的区域独立。模拟地是模拟信号的回路，数字地是作为数字信号的回路，那么不同的回路应互不干扰地工作才能最大地降低数字对模拟的干扰。 分区及强弱信号：要避免数字信号在地模拟区域上跨越，也要避免模拟信号在数字区域跨域。另外，模拟电路部分也会存在一些弱信号（弱电流）和一些强信号（强电流）的区分。在布局布线时，应该考虑供电电源和大电流信号强信号形成低阻抗的路径。弱信号地做单点接地处理以降低干扰。 时钟的设计处理：在许多数模混合电路设计中，DAC、ADC的参考时钟或者采样时钟是非常重要的。时钟属于数字信号，它有非常大的干扰作用，所以时钟信号不能和模拟信号混合在一起。时钟抖动的性能也决定着DAC、ADC的性能。在硬件设计上，选用时钟分配器，甚至使用数字PLL时钟输出TCXO、OCXO这一类高质量的时钟源都能有效地优化时钟抖动。避免多个负载也是非常有效的方式。在PCB设计中，应保证时钟信号的阻抗连续，降低布线的分布寄生电容（尽量减少过孔，时钟布线尽量短）。 2．一体化开发平台实现高效设计 在电子产品设计领域的普遍情况是，都是关注于某一技术片断，例如EMI、低功耗设计、信号处理、嵌入式软件开发、FPGA应用等。但这些技术本身并不能形成最终的电子产品，如果仔细审视一下电子产品的整个诞生过程，就会发现设计人员所承担的工作，本质上是一个数据加工的过程。这个过程需要这些数据作为输入：从公司的市场策略所获得的产品功能定义，财务成本的考虑、市场竞争性能力，当然还要选择功能、品牌、性能各异的各种元器件，然后设计出原理图、PCB版图，编制开发嵌入式软件等。输出的也是数据：电子产品加工、生产、装配所需要的数据，例如光绘文件、打孔文件、装配图和装配清单等，提供元器件采购、物料管理的BOM及文件存档需要的PDF等。 Altium大中国区技术支持经理张健飞解释说，现在的电子产品技术挑战越来越多，需要电子行业的厂商为设计人员提供更好的设计协作、交流平台，整合上下游的资源来为设计企业服务，并且所提供的设计技术必须能随时更新以跟上最新设计要求演进的需要。因此，需要从全局考虑来为电子产品设计企业提供一体化的高效电子产品设计开发平台，而不仅仅只是提供某一类似原理图、PCB设计工具这样片断化的产品，以避免不同的设计人员自己拼凑各种不同工具所构成的低效、易错流程。 Altium去年发布的Altium Designer 10及即将面世的Altium Designer 12，始终贯彻了一体化的设计理念，配合Altium Live所提供的电子设计生态系统，能够帮助所有用户获得持续的设计手段的更新，及时获取最新的元器件、设计模板等，使设计人员不需要每个项目都从头开始。再结合NanoBoard系列硬件，可以实现嵌入式软件开发、FPGA设计和PCB板级设计的无缝集成，并行开发，从全局层面为电子产品设计人员提供了一个可持续的高效一体化设计开发平台。 3．在PCB设计中优化电源完整性 明导国际（Mentor Graphics）系统设计部门市场开发总监John Isaac表示，在PCB和整个系统级设计方面，为了确保功率输出和产生的热量被正确处理，必须解决以下两个问题： 首先是PCB的设计问题。为了使各个集成电路均能接收到充足的清洁电压（功率），就必须对复杂配电网络进行详细地分析。Mentor的HyperLynx PI（电源完整性）产品能够对个配电网络中交流电源与直流电源的影响进行检查和分析。直流电源：检查正输出的电压是否足够，并指出可能导致增热以及PCB分层和熔断的潜在高电流密度区域。交流电源：看开关集成电路吸取尖峰电流时所输出电压的清洁度。 其次是集成电路与高电流密度配电网络区域所生成的热管理。Mentor的HyperLynx Thermal产品可使PCB设计人员在无需任何热能技术知识的情况下，对设计进行快速分析，避免高能量集成电路布局的关闭和热沉的缺少。复杂PCB和整个系统中正确热管理的精确分析则通过Mentor的FloTHERM产品，使用计算流体力学（CFD）算法来实现。FloTHERM可确定对流、传导及辐射冷却的效果，并分析复杂的产品外壳和空气气流，包括风扇与散热障碍等。这样，最终产品就能更加稳定。 Mentor的Design-Through-Manufacturing（从设计到制造）还是业界唯一的完整解决方案，可使OEM厂家减少反复设计时间，迅速量产；对制造商而言，则能更有效利用资产，提高质量与降低成本。 4．PCB设计成为硬件开发重要一环 电子产业在摩尔定律的驱动下，由于电子产品不断微小化、精密化、高速化，PCB设计不仅仅要完成各元器件的线路连接，更要考虑高速、高密度带来的各种挑战。PCB设计不再是硬件开发的附属，而成为产品硬件开发中“前端IC，后端PCB，SE集成”的重要一环。针对PCB设计的最新趋势，一博科技SI经理吴均给出了如下建议。 研发周期不断缩短：电子产品的更新换代加剧，新功能层出不穷，迫使产品研发加速，PCB的开发周期也相应被压缩。PCB工程师应综合考虑各方面因素，力争一次成功，并采用多人并行设计，模块重用。此外，提前介入产品研发流程，以减少后续返工也非常重要。 信号速率的不断提高：随着信号速率的不断提升，信号完整性不断困扰着研发人员，包括总线驱动能力、信号的反射、串扰、时序等。PCB设计工程师需掌握一定的高速PCB设计技能，将设计、仿真、测试手段完美结合。 单板密度加大：从面包板到单面板，再到双面板、多层板、HDI板，电子产品的小型化加剧了PCB设计的高密度、精细化。50μm～75μm微细导线已逐渐成为主流，在智能终端设备被广泛使用。PCB工程师必须了解新材料、新工艺，例如埋阻、埋容技术、HDI技术等，同时封装基板技术将被逐渐引入常规PCB设计中。 门电路工作电压越来越低：电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给PCB电源设计提出了新的难题。因此，理清电源通道，不仅要满足载流能力的需要，还要通过适当增加去耦电容，必要时采用电源地平面相邻、紧耦合的方式，以降低电源地平面阻抗，减少电源地噪声。此外，埋容技术能有效降低电源地平面阻抗，在高密终端电子设备中正逐渐受到青睐。 SI、PI、EMI问题趋于复杂：高速信号衍生的高次谐波，延伸了频带宽度；不同信号之间的串扰、共阻抗通道增加了信号之间的干扰。产品小型化、高度集成化带来PCB设计的高密度，这进一步加剧了SI、PI、EMI问题的产生。随着信号速率的进一步提升，使用传统电路的方式解决高速问题已逐渐吃力，采用三维电、磁场的角度分析SI、PI、EMI成为必然。 新工艺、新材料的使用：电子产品的小型化，带来单板的高密化、精细化。 在以上趋势的驱动下，PCB设计将彻底从硬件工程师的工作内容中剥离出来，并将逐渐细分，PI、SI、EMI、封装库、DFM等工作逐渐独立成为专门的学科。专业的PCB设计工程师、专业PCB设计公司将发挥更加重要的作用。 来源：电子工程网 |
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