跳到主要内容

5V电源设计:一个历史的动力

发布日期
作者Cadence PCB Solutions

关键的外卖

  • 为早期逻辑家族奠定基础。

  • TTL和采用5V标准。

  • 如何设计一个5V电源，从元器件的选择到计算。

以“5”格式包装的电缆

5V电源设计的重点是现代电子产品中无处不在的电压

即使是普通用户也可能会注意到他们的电子产品上5V等级的优势。在主电压级别之后，它可能是用户可能遇到的最常见的电压，考虑到包含晶体管-晶体管逻辑(TTL) ic的设备的市场饱和，它可以被认为是一个国际电压标准。尽管5V在很长一段时间内被采纳和奉为神圣，但情况并非总是如此;直到引入TTL，非官方标准才开始流行起来。

除非在极高或极低的电压水平下开发pcb，否则工程师和设计师几乎肯定会遇到部分(有时完全)由5V组成的配电网络。因此，5V电源设计是了解数字化进步和主动布局的关键资源。

数字化时代的逻辑族

当电子工业开始艰难地从模拟元件转换时，电阻-晶体管逻辑(RTL)代表了进入新范式的第一步。顾名思义，RTL在输入端使用一个电阻和一个双极结晶体管作为开关机制。由于集成电路的发展才刚刚开始成型，RTL最大限度地减少了单个晶体管的使用，这些晶体管可能是显著的成本增加者，同时为集成电路的发展奠定了基础门电路级逻辑具有单输入和多输入NOR门(两个通用逻辑门之一)。然而，bjt将提供较差的开关速度和高电流需求(因此高散热需求)，这将使其相关性短暂。

数字电子学的下一个分支是二极管-晶体管逻辑(DTL)。作为分立元件，DTL由两个间距为12V的轨道供电(NPN为6V和-6V, PNP为0V和-12V)，但对于ic则减少为单轨。与RTL类似，DTL可用于构建用于门级逻辑设计的通用NAND门，并且与之前的RTL格式相比具有许多优点。此外，DTL在I/O上通常比RTL具有更强的接口能力。然而，困难仍然存在:由于晶体管基极上的电荷积累必须消散，开关动作从两个输入高状态恢复的速度仍然很慢。值得注意的是，DTL将是与肖特基二极管组合形成肖特基晶体管的基本情况:肖特基二极管通过最小化集电极-基极结上的偏置来防止基极饱和，后来将更普遍地应用于其他逻辑家族ic。

TTL引入5V标准

虽然RTL和DTL代表了重要的数字里程碑，但晶体管-晶体管逻辑(TTL)是该行业一直在努力实现的突破。不像早期的逻辑系列，将晶体管仅用于放大，TTL在输入端使用晶体管作为逻辑元件;与其他设计考虑一起，这导致了显著的改进:

  • 〇切换速度更快输入晶体管和放大晶体管连接在前者的集电极和后者的基极之间。在逻辑高输出时，输入晶体管同时正向有源，并在放大晶体管的基础上进行累积电荷。这防止了困扰RTL和DTL开关周期的饱和状态。

  • 〇低功耗两个输入引脚在活动时只需要一个小的恒定电流，以保持输入晶体管反向运行以实现逻辑低输出。

  • 模块化,排除放大晶体管上的集电极电阻产生开路集电极输出，这允许设计人员用单个上拉电阻连接许多晶体管，以创建自定义逻辑电路，通过单个低TTL门将组合输出拉低。另一种变体是图腾柱，它利用推挽放大器来降低输出端的电阻，以降低工作电压范围为代价提高IC的风扇输出能力。

由于这些以及更多的原因，TTL技术迅速成为推动电子时代发展的力量，果不其然，它的电源电压被建立在5V。该值的确切选择可能归因于一系列因素，但就逻辑而言，它表示高逻辑电平输出的最大输出电压。即使像CMOS这样的新技术在性能上有效地取代了TTL, TTL的廉价和可靠的性质使其继续用作不匹配的IC逻辑家族之间的接口，进一步使5V成为不可替代的电源轨。

5V电源设计从头到尾

即使在今天的电子产品中，5V轨道的重要性也是显而易见的;因此，设计师需要能够在必要时将其提供给电网。假设main为电源，5V电源设计需要执行四个连续步骤:

  1. 变换将电压降至接近其目标5V。

  2. 纠正将信号从交流转换为直流，去除正弦波的负瓣。

  3. 过滤器减少波纹对输出功率的影响。

  4. 调节输出在一个一致的电压水平。

这四个步骤通常可以通过少数几个组件来完成:变压器，二极管网络，电容器网络和稳压器IC。从这里开始，设计将从末端开始，因为它们代表整个系统I/O。应选择稳压器以产生所需的电压水平，但输入范围自然会限制在输入之前发生的组件的可能性。此外，工作电流可能是一个因素，这取决于预期输出负载的大小或强度。就像输出电压一样，额定电流也会受到调节器参数的限制。

现在，绕回变压器。电流应该与稳压器的电流相匹配，因为不可能通过超过输出可用的电流。此外，预期的工作电流应远低于当前额定电流。然而，电压将需要考虑到二极管上的下降，通常是每个二极管0.6V。变压器输出的电压必须满足稳压器的最小输入范围加上任何二极管损耗，设计人员可能希望通过稍微增加变压器的输出电压(在合理和可行的范围内)来留下一点喘息空间。

最后，需要选择电容值，使其能够适当地为稳压器的输入和输出电压额定值，同时提供必要的电容。设计可以在稳压器输出处有最大纹波因子的目标，这代表了交流到直流转换的低效率，并从输出电压中衰减。有了这个值，就可以用滤波方程来计算电容。

电容滤波器的电容、工作电流、交流频率和允许的纹波电压损失之间的关系式

插入一些选定和计算的值，得到滤波的目标电容。

需要注意的是，该计算值不太可能与常用值匹配;工程师应该选择最接近的值近似值。

Cadence提供了丰富的工具来简化电源设计

5V的电源设计已经发展起来，尽管技术在进步，电压在降低，与更多的功率意识设备相关，工程师应该对他们设计功能电源的能力充满信心，因为目标值很少。幸运的是，细节可以留给计算机:Cadence的PCB设计与分析软件Suite拥有从仿真到制造商信息的所有支持工具，以帮助工程师优化电源解决方案。在快速和强大的旁边OrCAD PCB设计器布局环境，开发团队可以更迅速地从概念转移到物理板。

领先的电子供应商依靠Cadence的产品来优化各种市场应用的功率、空间和能源需求。要了解更多关于我们的创新解决方案，和我们的专家团队谈谈或请订阅我们的YouTube频道．