原创 再次将电源滤波提上日程

电源对于系统的作用犹如心脏对人，实时提供着系统运作的“新鲜”血液。为什么要强调“新鲜”，不“新鲜”的电源可能会导致系统工作不稳定、或者直接不工作。

先来说明两个概念：电阻、阻抗。

（1）电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗。

（2）阻抗指的是在交流状态下导线对电流的阻抗，该阻抗主要是由导线电感引起的。

笔者在这里主要简述几点：电磁干扰、静电、滤波、接地。

在说滤波、接地之前，先来简述一下EMC（电磁兼容），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。这当然是理想的情况，下面我们看几个实例。

    （1）使用吸尘器时收音机会出现“啪啦、啪啦”的杂音，原因是吸尘器的马达产生的微弱（低强度高频）电压/电流变化通过电源线传递进入收音机，以杂音的形式出现，将这种干扰称之为“传导干扰”。

    （2）当摩托车从附近道路通过时，电视会出现雪花状干扰。这是因为摩托车点火装置的脉冲电流产生了电磁波，传到空间再传给附近的电视天线、电路上。将这种干扰称之为“辐射干扰”。

    （3）冬天的时候，特别是在北方比较干燥的城市，晚上睡觉**服时，经常会看到衣服有“火花”，实际上这是“静电放电”现象，称之为ESD。如果此时你用手触摸一些电子元件，说不定就会电击毁这些元器件，因为电压有3~5KV之高，只是电压高，电量少，所以对人体危害不大。

    （4）开空调时，室内的荧光灯会出现瞬时变暗的现象，这是因为大量电流流向空调，电压急速下降，利用统一电源的荧光灯受到影响，这种电压突然骤降的“浪涌”现象，称之为Surge。

    为了解决以上问题，则发展起来了一门学科EMC，若想更深入了解，读者可以去研读一下郑军奇的《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》，有些例子相当精辟。

    接下来在说三个概念，是不是概念有些多，没事，坚持一下，等说完了概念，在上几个实例就不会对这些概念陌生了。其实这几个概念说白了就是为电源提供“新鲜”的血液。

    （1）去耦：当器件告诉开关时，把射频能量从高频器件的电源端泄放到电源分配网络。去耦电容也为器件和元件提供一个局部的直流源，这对减小电流在板上传播浪涌尖峰很有作用。

    （2）旁路：把不必要的共模RF能量从元件或线缆中泄放掉。它的实质是产生一个交流之路来把不希望的能量从易受影响的区域泄放掉。另外，它还提供滤波功能（带宽限制），有时笼统地称为滤波。

    （3）储能：当所用的信号脚在最大容量负载下同时开关时，用来保持提供给器件恒定的直流电压和电流。它还能阻止由于元件di/dt电流浪涌而引起的电源跌落。若果说去耦是高频的范畴，那么储能可以理解为是低频范畴。

    （4）电容的选择。选择旁路电容和去耦电容时，并非取决于电容值得大小，而是电容的自谐振频率，并与所需旁路式去耦的频率相匹配。在自谐振频率以下电容表现为容性，在自谐振频率以上电容变为感性，这将减小RF去耦功能。再看看常用的两种瓷片电容的自谐振频率，如表3-2所示。

表3-2 瓷片电容的封装与自谐振频率的关系

电容值	插件电容	标贴电容
1.0μF	2.6MHz	5MHz
0.1μF	8.2MHz	16MHz
0.01μF	26MHz	50MHz
1000pF	82MHz	159MHz
500pF	116MHz	225MHz
100pF	260MHz	503MHz
10pF	821MHz	1.6GHz
电容封装

    综上可得，使用去耦电容最重要的一点就是电容的引线电感。表贴电容笔插件电容高频时有很好的效能，就是因为它的引线电感很低。

    （5）并联电容。若有些电路中滤波效果不好，可以采用并联电容的方式来增加滤波效果，但不是随意的增加并联的个数或随意放置几个电容，这样只会浪费材料。

    一般原则是并联的电容必须有不同的数量级（例如0.1uF和0.001uF），这个数量级最好是两个或100倍。

    （6）滤波。所谓滤波说的通俗点就是将想要的留下，不想要的统统干掉，为系统提供“新鲜”的血液。

    生长在农村的夜月狼，对农家生活、琐事肯定是记忆犹新，一想到“滤波”，情不自禁地回忆起了自己家的“母亲水窖”，提到“母亲水窖”，对于生长在大都市的读者来说，可能听过，但是没见过，那就先贴张图（右图），这就不如图了吧。

    这是几年前由中国妇基会发起的一个针对中国西部偏远干旱山区的农村家庭，为解决他们的日常饮水问题的一个公益项目。就这么一个简简单单的水窖，养育了多少西北人民。

    生命之窖。会宁县的年降雨量在400MM左右，而年均蒸发量却高达1400MM左右。几乎在所有的农村家庭中，人畜饮用水和日常用水全部来源于这个小小的水窖。水窖一般深度为5米，口径为1.5米，从院子里或者路面上修一条导流渠，用来在雨季到来的时候，将地面上的雨水导入窖中储存起来，供农村家庭一年的日常饮水和用水。家乡的降雨期通常是7、8、9三个月，冬天几乎不下雪、春天也不下雨，一般在睡觉之前会打扫庭院（白天下雪来得及扫，要是晚上一般不知道），以备下雪之后能将积雪也倒到“生命之窖”中。所以说我们在文学作品中看到的那些“春雨贵如油”的描述，对会宁人而言根本就是一个奢望。

    三个月的雨水要支持一家人全年的用水，否则就要去很远很远的地方拉水或者花及其高昂的价格去买水。水窖中集结的雨水，一般需要经过一个月的沉淀后才能饮用，那意味着这个时间段就得“闭口”，所以为了能缩短这个时间，在雨水进水窖前的“滤波”就显得尤为重要了，聪明的人，们在前面加了一个虑水池，如上面左图所示，“湍急”、“浑浊”的雨水先经过这个水池，过滤一下，将不想要的泥土沉淀在水池中，同时让“湍急”的水流变得平缓一点，在流入“之命之窖”，这样穷困的农民就可以享尽人间的“天伦之乐”了。

    曾经问过一个朋友，他能在这样的地方生存多久？朋友再三思考后，才很迟疑的回答“一周”，给出的理由是：在这样一个没有水的地方生存真的不可想象。可能生活在城市中的幸福同胞们也会常常抱怨生活中有诸多的不如意，但是你们这些城市人又是否想过，城市中再不如意和失落的生活，也要远比这些生活在根本没有选择机会的西部偏远干旱地区村民们幸福N多倍。城市的人常常是因为选择太多而无所适从；但这里的人们却恰恰是因为无所选择而无所适从。这个世界其实并不公平，一个人出生的条件就决定了他生存的条件。你们可以像雄鹰一样高傲地飞到金字塔顶，我们必须像蜗牛一样努力的爬行。

    没有一点点针对或者乞讨之意，算是有感而发，触景生情吧。

言归正传，接下结合一个实例来说明这些知识点。这个例子就是MGMC-V1.0开发板上的USB转串口电路（CH340T）,电路图如图3-3所示。

图3-3 USB下载和外扩电源接口电路图

    夜月狼也不隐讳的告诉大家，在调试这个电路时真是花了好长时间，或许是水平太低、或许是要求太严格。接下来简述上述电路调试心得，顺便说明上述几个概念。

    问题一：单片机P3.0一直为高，单片机根本拉不低，整个电路开关不起作用。

    解决方法，实际测试发现该管脚一直为高，就是取了单片机芯片也为高，说明问题肯定在U10身上，最后一看数据手册，确实默认为高，所以反接了一个D9（1N4148），该问题顺利得到了解决。

    问题二：在关闭电源的情况下，电源指示灯D11会微微发亮。

    解决办法，结合数据手册和测试发现，U10的4管脚有2V多的电压，所以才会发亮，因而在4管脚上串联了一100Ω的电阻。

    问题三：COM口发现不了、即使发现了一开电源就不见了。

    原因分析，笔者设计的电路在一开始，根本没有C10、C20、E3这三个电容，当然不加是为了节省成本，还有就是设计不到位，慎重的说一句：我错了。拿示波器测试发现，上电的时候+5V这个端子的电压有如图3-4所示的变化，接着看数据手册，如图3-5所示。

图3-5 未接电容时CH340T电源端子电压的变化图

图3-6 CH340 VCC的要求规格数

    结合以上图，实际中有时电源会掉到4V甚至3V多，而要求是4.5V，这样的设计没问题才不正常呢这与开空调时室内荧光灯变暗原理是相同的。为解决这个问题，前面提到的“储能”将会提上日程。笔者凭着经验加了一个C10（0.1uF）、一个E3(220uF)的电解电容，为该电源网络储能。工作过程就是接通USB时，会给该电容充满电，接着打开电源开关，由于后面的负载会拉低这个电源电压，此时若电压低于E3两端的电势，则E3就会放电，来弥补这个电压，但测试发现电压还是有变化，但最低位4.8V那么这个值就满足了要求，所以问题得到了解决。

    接着在提一个概念纹波，纹波（ripple）是指在直流电压中叠加的交流成分。例如大海，理论上是一个很平的水面（直流），但由于大风的作用，总是波浪起伏（交流）。纹波要求，一般为5%，什么意思，就是对于理论是5V的直流电压，纹波必须控制在250mV（5V*5%）以内、3.3V必须控制在165mV以内。

    之后测试+5V的纹波，纹波如图3-7所示。ΔV为484mV显然高于要求（250mV），但是纹波的频率不好，有图可知小于10Hz，由表3-2可知，没有必要采用容值较小的瓷片电容来增加滤波效果，可以加大电解电容的容值，最后将220uF的电容换成了470uF的，纹波测试如图3-8所示，此时纹波为80.8mV，小于250mV，满足要求。其实对于设计电路来说，设计到这里就可以结束了，但是为了满足笔者的虚荣心，又在C10上并接了一个C20（10uF瓷片电容），接着测试纹波，如图3-9所示，呵呵，此时纹波为21.6mV，可能有人会说这是浪费，笔者承认，但这样的浪费可以为系统提供更“新鲜”的血液，这样的浪费可以让饥渴的农民早一天喝上“纯净水”。

图3-7 接了220uF滤波电容之后的纹波图

图3-8 接了470uF滤波电容之后的纹波图

图3-9 并接了10uF电容之后的纹波图

    或许在这里讲述这些，对于新手们来说有点难、或者笔者的话有点多、或者做事有点画蛇添足的意思，但是纹波在电源的设计中真的很重要，应该从一开始就敲响警钟，让电源的设计警钟长鸣。同时笔者的调试过程也值得读者们借鉴，任何电路的设计都应该有理有据，当然有些经验值、经验之作，那就另当别论吧。理论很重要，但实践更重要。单片机学习就是这样，需要大量动手实验才能掌握，光靠书本的理论知识肯定是远远不够的。