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篇1

關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷； 電容傳感器； 擴展卡爾曼濾波（EKF）； 容錯控制

中圖分類號： TN820.3?34 ；TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0152?04

Fault tolerance control of capacitance transducer in

piezoelectric ceramic positioning system

GUO Jia?liang， LI Peng?zhi， LI Pei?yue

（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： As the failure of capacitance transducer has a big impact on tracking accuracy of the piezoelectric ceramic positioning system， the methodology of using extended Kalman filter （EKF） to implement the fault tolerance control is investigated in this paper. Aiming at the sampling circuit failure and the power failure of the transducer， an EKF filtering formula of capacitance transducer under three?order trajectory planning algorithm is analysed. The method that the discrete iterative EKF algorithm is taken to replace the traditional method is introduced. Positioning control experiment is performed with the benchmark of the laser interferometer. The results indicate that the proposed method can achieve 0.7% maximum tracking errors， with the deviation of ±3.5 μm， in a stroke of 500 μm. The experimental results indicate that the fault tolerance control method based on EKF can the control error caused by transducer fault and increase the robustness of the piezoelectric ceramic positioning system.

Keywords： piezoelectric ceramic； capacitance transducer； extended Kalman filter； fault tolerance control

0 引 言

壓電陶瓷定位系統(tǒng)通常是由壓電陶瓷執(zhí)行器作為驅(qū)動器及電容傳感器作為位移傳感器而構(gòu)成的閉環(huán)定位系統(tǒng)[1]。由于壓電陶瓷定位系統(tǒng)具有高精度和高速度的特性，被廣泛地應(yīng)用于光刻物鏡調(diào)節(jié)機構(gòu)和干涉儀移相器等領(lǐng)域[2?3]。當(dāng)這種閉環(huán)控制的反饋信號惟一依賴于電容傳感器測量值時，如果電容傳感器產(chǎn)生在線故障，未經(jīng)過處理的故障信號會增大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[4?5]。

卡爾曼濾波是一種使用遞歸方法解決線性濾波問題的最優(yōu)估計算法，可有效過濾掉隨機干擾，準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號[6]，在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，基于自適應(yīng)卡爾曼濾波器的信息融合方法，可以有效增加系統(tǒng)的定位精度及魯棒性[7]；在多機器人協(xié)同控制中，擴展卡爾曼濾波（EKF）可以有效解決定位控制中非線性模型的預(yù)測問題[8]；由于不需要對非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程進(jìn)行線性化，并且不需要計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的雅可比矩陣，無跡卡爾曼濾波（UKF）在飛行器軌跡跟蹤領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[9]；近年來，EKF在控制系統(tǒng)傳感器故障容錯控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，EKF是針對經(jīng)典卡爾曼濾波方法的非線性化推廣，在永磁同步電機控制系統(tǒng)中，EKF可以根據(jù)電機的先驗狀態(tài)參數(shù)準(zhǔn)確估計當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)無傳感器電機控制[10]或者故障診斷[5]；在發(fā)動機故障診斷和容錯控制中EKF的應(yīng)用也取得了一定的進(jìn)展[11]。

本文首先對壓電陶瓷定位系統(tǒng)電容傳感器典型故障進(jìn)行分析；其次，針對三階軌跡規(guī)劃算法，將位移軌跡作為被估計的過程，通過對被估計過程EKF濾波公式的分析，提出一種基于離散迭代的EKF算法以替代傳統(tǒng)非線性系統(tǒng)近似線性化的方法；最后，通過實驗對基于EKF的容錯控制方法的效果進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該方法行之有效。

1 問題描述

光刻物鏡可調(diào)機構(gòu)的壓電陶瓷定位系統(tǒng)如圖1所示，控制算法通過PC機端的Matlab/Simulink設(shè)計完成之后，通過RTW下載至目標(biāo)機的xPC Target實時內(nèi)核，目標(biāo)機內(nèi)置有NI公司的PCI?6229數(shù)據(jù)采集卡，xPC Target通過PCI?6229的D/A通道向驅(qū)動控制箱發(fā)送控制指令，驅(qū)動控制箱根據(jù)指令驅(qū)動壓電陶瓷執(zhí)行器，并將讀回的電容傳感器測量數(shù)值傳送至PCI?6229的A/D通道，反饋給xPC Target。

如圖1所示，xPC Target目標(biāo)機與驅(qū)動控制箱之間采用模擬信號連接，電容傳感器與驅(qū)動控制箱之間也采用模擬信號連接，相比于其他鏈路，這些模擬通道出現(xiàn)故障的概率更大。圖2是模擬通道典型故障的反饋值，在0.6～0.8 s之間電容傳感器第8個數(shù)據(jù)位出現(xiàn)故障、在1 s之后電容傳感器出現(xiàn)掉電故障?？梢?，故障時位移測量值與實際值出現(xiàn)較大偏差。因此，在將這些包括不準(zhǔn)確值的測量值反饋至控制器之前，對其進(jìn)行必要的容錯處理顯得尤為重要。

圖1 壓電陶瓷定位系統(tǒng)

2 擴展卡爾曼濾波

將壓電陶瓷定位系統(tǒng)的位移軌跡作為被估計的過程[X]，那么這個過程的狀態(tài)變量[xk]即表示[k]時刻的位移值，對于文獻(xiàn)[1]中應(yīng)用于壓電陶瓷定位系統(tǒng)的三階軌跡規(guī)劃算法，這個過程[X]的狀態(tài)變量[xk]可以由以下離散差分方程描述：

[xk=xk-1+vk-1ts+ak-1t2s2+Jmt3s6] （1）

式中：[ts]為采樣周期；[Jm]為最大沖擊值常量；[ak-1，][vk-1，][xk-1]分別為[k-1]時刻加速度值、速度值、位移值。顯然[ak，][vk，][xk]均為時變參數(shù)，可見被估計過程的[X]是一個離散的非線性過程。

圖2 電容傳感器故障時位移測量值

針對離散非線性過程，卡爾曼濾波變形為如下離散的擴展卡爾曼濾波公式[6]：

[xk/k-1=xk-1+f（xk-1）?Ts] （2）

[Pkk-1=Φkk-1Pk-1Φkk-1T+Qk-1] （3）

[xk=xkk-1+Kk（yk-Hkxkk-1）] （4）

[Pk=Pkk-1-KkHkPkk-1] （5）

[Kk=Pkk-1HkT（HkPkk-1HkT+R）-1] （6）

在傳統(tǒng)的擴展卡爾曼濾波中，公式（2）中的[f（?）]是由非線性函數(shù)經(jīng)過泰勒級數(shù)展開，截去高階項后得到的近似線性化函數(shù)。這種線性化的近似計算存在兩個方面的缺陷：一方面，需要通過大量的在線仿真或?qū)嶒灢拍塬@得精度和速度相對較好的濾波系數(shù)[5]；另一方面，隨著遞歸算法的向前推移，泰勒級數(shù)高階項權(quán)重可能不斷增加，導(dǎo)致最終估計量誤差較大[6]。

為解決以上問題，將公式（1）改寫為公式（7）的形式：

[xk=xk-1+f（xk-1）ts] （7）

而公式（7）中的[f（?）]可以由公式（8）遞推求得[1]，公式（8）中各參數(shù)意義與公式（1）相同：

[f（xk）=vk+akts2+Jmt2s6vk=vk-1+ak-1ts+Jmt2s2ak=ak-1+Jmts] （8）

由公式（7）和公式（8）可見，在將壓電陶瓷定位系統(tǒng)的位移軌跡視作被估計過程[X]時，其擴展卡爾曼濾波公式（2）中的線性化函數(shù)[f（?）]同樣可以由三階軌跡規(guī)劃的遞推過程求得，避免了傳統(tǒng)的將非線性系統(tǒng)線性化的復(fù)雜計算過程。

離散擴展卡爾曼濾波式（2）～式（6）中其余參數(shù)的含義說明如表1所示。

至此，在三階軌跡規(guī)劃算法下，壓電陶瓷定位系統(tǒng)位移量的擴展卡爾曼濾波器可由圖3表示，其中，狀態(tài)預(yù)測對應(yīng)公式（2），協(xié)方差預(yù)測對應(yīng)公式（3），狀態(tài)校正對應(yīng)公式（4），協(xié)方差校正對應(yīng)公式（5），增益更新對應(yīng)公式（6）。

表1 離散擴展卡爾曼濾波器參數(shù)表

[參數(shù)＼&參數(shù)含義＼&[xk/k-1]＼&[k]時刻基于[k-1]時刻的預(yù)測估計＼&[xk-1]＼&[k-1]時刻的最優(yōu)估計＼&[Ts]＼&采樣周期＼&[Pkk-1]＼&[xk/k-1]的協(xié)方差＼&[Φkk-1]＼&轉(zhuǎn)移矩陣＼&[Pk-1]＼&[xk-1]的協(xié)方差＼&[Qk-1]＼&過程噪聲的協(xié)方差＼&[xk]＼&[k]時刻的最優(yōu)估計＼&[Kk]＼&卡爾曼濾波增益＼&[yk]＼&觀測變量＼&[Hk]＼&為觀測增益＼&[Pk]＼&[xk]的協(xié)方差＼&[R]＼&觀測噪聲的協(xié)方差＼&]

圖3 擴展卡爾曼濾波器

3 實驗與分析

為了對如圖1所示的壓電陶瓷定位系統(tǒng)中位移的測量值和EKF估計值做出準(zhǔn)確評價，實驗過程中使用Renishaw公司的XL?80型激光測長干涉儀作為測量基準(zhǔn)，搭建了如圖4所示的實驗平臺。其中，執(zhí)行器為Physik Instrumente公司的N?111型壓電陶瓷驅(qū)動器，傳感器為D?E30型電容傳感器。

實驗采用的控制方案如圖5所示，其中，擴展卡爾曼濾波器將電容傳感器信號濾波之后反饋至PID控制器，PID控制器根據(jù)此反饋信號和三階軌跡規(guī)劃的輸出信號，對壓電陶瓷執(zhí)行器的控制量做出計算。

實驗中EKF濾波公式各參數(shù)賦值如下：采樣周期[Ts]與系統(tǒng)相同，為0.001 s；過程噪聲與N?111型壓電陶瓷執(zhí)行器的定位精度相關(guān)，根據(jù)對N?111大量實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，過程噪聲方差[Qk-1]取值[5×10-4]；觀測變量[yk]為電容傳感器在線測量值，觀測噪聲與電容傳感器精度相關(guān)，經(jīng)過對D?E30型電容傳感器大量實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，觀測噪聲方差[R]取值為[2.5×10-4]；觀測增益[Hk]取值為1，轉(zhuǎn)移矩陣[Φkk-1]由算式[Φkk-1=I+f（tk-1）Ts]在線求得；EKF的初始條件為[x0=0，][P0=1]。

圖4 壓電陶瓷定位系統(tǒng)實驗平臺

圖5 電容傳感器容錯控制方案

實驗過程中，當(dāng)電容傳感器在0.6～0.8 s之間第8個數(shù)據(jù)位出現(xiàn)故障、在1 s之后出現(xiàn)掉電故障，干涉儀測量值與EKF的估計值結(jié)果如圖6所示，EKF估計值誤差的絕對值如圖7所示。

圖6 干涉儀測量值與EKF估計值

圖7 EKF估計值誤差絕對值

由圖6和圖7的實驗結(jié)果可知，當(dāng)電容傳感器出現(xiàn)故障時，雖然EKF估計值的絕對誤差和方差均有所增加，但絕對誤差仍被控制在3.5 μm之內(nèi)，相比于圖2中未加EKF時的結(jié)果，濾波效果顯著。對于壓電陶瓷定位系統(tǒng)而言，EKF可以有效實現(xiàn)對電容傳感器的容錯控制。

4 結(jié) 語

本文將壓電陶瓷定位系統(tǒng)位移軌跡作為被估計的過程，對其擴展卡爾曼濾波分析后，提出基于三階軌跡規(guī)劃離散迭代算法的擴展卡爾曼濾波方法，這種方法可以有效避免非線性系統(tǒng)近似線性化的截斷誤差，避免大量的尋優(yōu)實驗。實驗結(jié)果表明所提出的EKF算法能夠準(zhǔn)確地估計出壓電陶瓷定位系統(tǒng)的位移軌跡，實現(xiàn)了電容傳感器容錯控制，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。

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篇2

【關(guān)鍵詞】液晶顯示器基板；電磁兼容；電磁屏蔽技術(shù)；濾波技術(shù)

1.液晶顯示器基板的電路設(shè)計

液晶顯示器基板電路設(shè)計的第一步是明確電磁干擾（EMI）源，必須找出所有可能的EMI源并明確其影響大小。首先，屏蔽所有可能的EMI源，然后依次有選擇的暴露每一個潛在的干擾源，將干擾源的影響都量化出來，再采取相應(yīng)的措施加以解決。消除EMI源的技術(shù)主要有：濾波、布局與布線、屏蔽、接地等技術(shù)。液晶顯示器基板主要功能模塊包括：液晶顯示模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊（主要包括主驅(qū)動板和調(diào)諧器板）、視頻轉(zhuǎn)換模塊、寬溫工作電路以及按鍵模塊。一般液晶顯示模塊由生產(chǎn)廠商在生產(chǎn)前已經(jīng)完成EMC的測試，所以在電路設(shè)計時，主要考慮電源模塊、驅(qū)動模塊（主要包括主驅(qū)動板和調(diào)諧器板）、寬溫工作電路、按鍵模塊等內(nèi)容。

1.1電源模塊EMC設(shè)計

電源部分兩大主要功能就是實現(xiàn)驅(qū)動液晶屏的背光以及為其他模塊提供直流電源。液晶顯示器的電源部分采用的都是開關(guān)電源。針對開關(guān)電源的EMC問題，在設(shè)計時應(yīng)采用以下主要措施：軟開關(guān)技術(shù)：開關(guān)器件開通/關(guān)斷時會產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開關(guān)損耗的主要原因。軟開關(guān)技術(shù)是減小開關(guān)器件損耗和改善開關(guān)器件EMC特性的重要方法。該技術(shù)主要是使開關(guān)電源中的開關(guān)管在零電壓、零電流時進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換從而有效地抑制電磁干擾。調(diào)制頻率控制：電磁干擾是根據(jù)開關(guān)頻率變化的，干擾的能量集中在離散的開關(guān)頻率點上導(dǎo)致干擾強度大。通過將開關(guān)信號的能量調(diào)制分布在一個很寬的頻帶上，產(chǎn)生一系列離散邊頻帶，這樣就將干擾頻譜展開，干擾能量分布在離散頻帶上，從而降低開關(guān)頻率點上的電磁干擾強度。元器件布局與布線：將電源輸入信號和輸出信號相關(guān)聯(lián)的元器件都放置在相應(yīng)的端口附近，以避免因耦合路徑而產(chǎn)生干擾。將相互關(guān)聯(lián)的元器件放在一起，避免走線過長帶來干擾。電源線濾波器：為滿足電磁兼容的要求，在液晶顯示器基板電源線上還要設(shè)計加裝電源線濾波器。濾波器可以把通過電源線上傳導(dǎo)的電磁干擾信號給予充分地抑制，或者說，它既能抑制液晶顯示器基板內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾外泄，同時又能抑制外界的干擾。屏蔽：電源部分的屏蔽尤其重要，如果電源部分的屏蔽不好，則會造成大的傳導(dǎo)干擾。并且由于電源的發(fā)熱很厲害，所以設(shè)計電源屏蔽罩一定要注意到散熱的問題。另外還要盡量避免信號線平行走線。如果無法避免，盡量加大線間距?；蛘咴谥虚g加一根地線，以減少相互之間的干擾。

1.2驅(qū)動模塊EMC設(shè)計

液晶顯示器的主驅(qū)動板主要包括：模擬信號部分，數(shù)字電路部分，DC-DC電源部分。元器件布局與布線：在布局上，要把模擬信號部分，數(shù)字電路部分，DC-DC電源部分這三部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最小。而在器件布設(shè)方面，還是遵從相互有關(guān)的器件盡量靠近的原則，這樣可以獲得較好的降低干擾效果。接地：在印制板上，電源線和地線最重要。讓模擬電路和數(shù)字電路分別擁有自己的電源和地線通路?？朔姶鸥蓴_，最主要的手段就是接地。在液晶顯示器的驅(qū)動板上，主要將電源部分（DC-DC）的地和其它如解碼和主芯片處理的部分的地分開，以減少電源地對圖像顯示的干擾。晶振：數(shù)字電路中的時鐘電路是目前電子產(chǎn)品中主要的電磁干擾源之一，是EMC設(shè)計的主要內(nèi)容。晶振的兩個腳都要加RC濾波電路.同時一定要將晶振的金屬外殼與印制板上的地連接起來。另外，晶振與芯片引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，放置一個局部地平面并且通過多個過孔與地線連接。電容去耦：利用電容去耦來降低電磁干擾。典型的去耦電容值是0.1μF。所以對于20MHz以上的噪聲，采用0.01μF的電容去耦。鐵氧體磁環(huán)濾波：在主板上的所有信號輸入端都加入磁環(huán)濾波。磁環(huán)專用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。它扮演高頻電阻的角色，即將高頻衰減掉。該器件允許直流信號通過，而濾除交流信號。

2.液晶顯示器基板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

液晶顯示器基板外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，很大程度地決定了顯示器電磁兼容性。一般來說，加固液晶顯示模塊的電磁兼容性較好，因此，液晶顯示器的電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計首要是控制其內(nèi)部的電磁輻射，該部分電磁輻射主要來自光學(xué)器件，電源、印制板上的干擾會通過顯示窗口向外電磁輻射。采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的方式可以實現(xiàn)對EMI的抑制。實現(xiàn)EMI屏蔽的有效方法是：首先從電源及信號源頭處降低干擾；通過屏蔽、鋁箔或接地將能夠產(chǎn)生干擾的電路隔離；同時增強敏感電路的抗干擾能力等。采取密封電磁屏蔽技術(shù)，在殼體結(jié)構(gòu)上形成電磁封閉，使得外殼各部分之間具有良好的電磁接觸，以保證電磁的連續(xù)性，保證殼體無泄漏狀態(tài)，提高殼體的屏蔽效能。處理好通風(fēng)孔、接縫、插槽、空間走線、散熱器接地等。外殼上的面板、前殼、中殼及后蓋等部分相互搭接處存在著接觸縫隙，這里把縫隙看成是電阻或者電容。殼體的連接部分也可以用導(dǎo)電性能良好的材料來屏蔽，需拆卸的部位可以用導(dǎo)電橡膠條壓緊來保證電磁連續(xù)性，永久連接處可以采用連續(xù)焊接接縫。液晶顯示器基板殼體屏蔽設(shè)計的另一個難點，在于設(shè)計和制造過程中不可避免會有孔隙，比如面板連線、穿越線纜、指示燈、液晶屏顯示窗口等都需要在屏蔽殼體上打孔，從而產(chǎn)生孔隙泄漏，大大降低了屏蔽效能。對于液晶顯示器的窗口采用鍍透明ITO導(dǎo)電膜玻璃或夾金屬絲網(wǎng)的屏蔽玻璃。

3.結(jié)語

液晶顯示器基板因應(yīng)用范圍較廣，其所處的電磁環(huán)境具有隨機性、多樣性特點，所以在設(shè)計時，需要將功能設(shè)計與電磁兼容性設(shè)計及其它環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計結(jié)合起來，以提高設(shè)備的可靠性。通過采用上述電磁兼容設(shè)計方法，某型液晶顯示器基板順利通過了EMC測試，并未今后類似的設(shè)計提供了參考。

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篇3

摘　要：研究了SF6型高壓斷路器用陶瓷電容器的電極與引線之間的焊接技術(shù)，采用62Sn/36Pb/2Ag錫膏及相應(yīng)的工藝措施，解決了以前用錫箔片焊接存在的工藝難控制、易堆錫、銀溶問題以及用環(huán)氧樹脂銀導(dǎo)電膠粘接存在的導(dǎo)電膠老化問題，獲得了工藝簡單且使焊接強度明顯提高的焊接方法。

關(guān)鍵詞：陶瓷電容器　引線　焊接　工藝

國內(nèi)某高壓開關(guān)廠550 kV級SF6型高壓斷路器是我國“七五”至“八五”計劃的重要科研項目，為其配套的高壓陶瓷電容器以前均采用進(jìn)口件，為降低成本，推進(jìn)該電容器國產(chǎn)化，我廠經(jīng)多年的研究，成功地開發(fā)了550kV級SF6型高壓斷路器用高壓陶瓷電容器。該電容器（外型見圖1）結(jié)構(gòu)是在兩平行電極焊接φ18mm銅電極引線（簡稱引線），外涂絕緣漆，銅電極引線在電容器串聯(lián)裝配時起接觸導(dǎo)通作用，引線和電容器的焊接強度直接影響電容器的使用。在最初研制時，用錫焊把引線和銀電極連接，即在引線和銀電極間夾一層薄錫箔，然后加熱到230℃保溫30min使錫熔化，以達(dá)到焊接目的。此種方法因較難控制錫用量及錫熔化擴散方向，常因錫過量，結(jié)果在銀電極表面堆錫造成電容器裝配困難。另外，引線和電極間錫擴散不均造成引線部分虛焊，使焊接強度降低。過量的錫在高溫長時間熔解時造成銀溶入錫中，即“銀溶”現(xiàn)象，影響到電容器的電性能及焊接強度。

有人曾采用有機環(huán)氧樹脂加入導(dǎo)電性銀粉即導(dǎo)電膠，把引線和電極粘連的方法。此種方法雖暫時解決了堆錫，銀溶等問題，粘接的強度也暫時滿足了要求，但有機材料環(huán)氧樹脂隨著時間老化，使粘接的強度降低，引線在長期使用中存在潛在脫落的可能，從而使斷路器在運行中可能出現(xiàn)故障。

為解決這些問題，我們尋找一種材料，能適合片狀引線和電極之間的連接，強度高，工藝簡單，易控制材料用量，外形美觀，不影響電容器性能，通過反復(fù)試驗，選用62Sn/36Pb/2Ag糊狀錫膏焊接定位，并多次進(jìn)行了試驗及性能測試。

篇4

電容技術(shù)

電容具有各種尺寸、額定電壓和其他特性，能夠滿足不同應(yīng)用的具體要求。常用電介質(zhì)材料包括油、紙、玻璃、空氣、云母、聚合物薄膜和金屬氧化物。每種電介質(zhì)均具有特定屬性，決定其是否適合特定的應(yīng)用。

在電壓調(diào)節(jié)器中，以下三大類電容通常用作電壓輸入和輸出旁路電容：多層陶瓷電容、固態(tài)鉭電解電容和鋁電解電容。

多層陶瓷電容

多層陶瓷電容(MLCC)不僅尺寸小，而且將低ESR、低ESL和寬工作溫度范圍特性融于一體，可以說是旁路電容的首選。不過，這類電容也并非完美無缺。根據(jù)電介質(zhì)材料不同，電容值會隨著溫度、直流偏置和交流信號電壓動態(tài)變化。另外，電介質(zhì)材料的壓電特性可將振動或機械沖擊轉(zhuǎn)換為交流噪聲電壓。大多數(shù)情況下，此類噪聲往往以微伏計，但在極端情況下，機械力可以產(chǎn)生毫伏級噪聲。

電壓控制振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、RF功率放大器(PA)和其他模擬電路都對供電軌上的噪聲非常敏感。在VCO和PLL中，此類噪聲表現(xiàn)為相位噪聲；在RF PA中，表現(xiàn)為幅度調(diào)制；而在超聲、CT掃描以及處理低電平模擬信號的其他應(yīng)用中，則表現(xiàn)為顯示偽像。盡管陶瓷電容存在上述缺陷，但由于尺寸小且成本低，因此幾乎在每種電子器件中都會用到。不過，當(dāng)調(diào)節(jié)器用在噪聲敏感的應(yīng)用中時，設(shè)計人員必須仔細(xì)評估這些副作用。

固態(tài)鉭電解電容

與陶瓷電容相比，固態(tài)鉭電容對溫度、偏置和振動效應(yīng)的敏感度相對較低。新興一種固態(tài)鉭電容采用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)，而非常見的二氧化錳電解質(zhì)，其浪涌電流能力有所提高，而且無須電流限制電阻。此項技術(shù)的另一好處是ESR更低。固態(tài)鉭電容的電容值可以相對于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)僅包括容差、工作溫度范圍內(nèi)的降壓情況以及最大ESR。

導(dǎo)電聚合物鉭電容具有低ESR特性，成本高于陶瓷電容而且體積也略大，但對于不能忍受壓電效應(yīng)噪聲的應(yīng)用而言可能是唯一選擇。不過，鉭電容的漏電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等值陶瓷電容，因此不適合一些低電流應(yīng)用。

固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)的缺點是此類鉭電容對無鉛焊接過程中的高溫更為敏感，因此制造商通常會規(guī)定電容在焊接時不得超過3個焊接周期。組裝過程中若忽視此項要求，則可能導(dǎo)致長期穩(wěn)定性問題。

鋁電解電容

傳統(tǒng)的鋁電解電容往往體積較大、ESR和ESL較高、漏電流相對較高且使用壽命有限(以數(shù)千小時計)。而OS-CON電容則采用有機半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極，以實現(xiàn)較低的ESR。這類電容雖然與固態(tài)聚合物鉭電容相關(guān)，但實際上要比鉭電容早10年或更久。由于不存在液態(tài)電解質(zhì)逐漸變干的問題，OS-CON型電容的使用壽命要比傳統(tǒng)的鋁電解電容長。大多數(shù)電容的工作溫度上限為105℃，但現(xiàn)在OS-CON型電容可以在最高125℃的溫度范圍內(nèi)工作。

雖然OS-CON型電容的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容，但是與陶瓷電容或固態(tài)聚合物鉭電容相比，往往體積更大且EsR更高。與固態(tài)聚合物鉭電容一樣，這類電容不受壓電效應(yīng)影響，因此適合低噪聲應(yīng)用。

為LDO電路選擇電容

1　輸出電容

低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)可以與節(jié)省空間的小型陶瓷電容配合使用，但前提是這些電容具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)；輸出電容的ESR會影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定性，建議采用至少1μF且ESR最大為1Ω的電容。

輸出電容還會影響調(diào)節(jié)器對負(fù)載電流變化的響應(yīng)?？刂骗h(huán)路的大信號帶寬有限，因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載電流以500mA／μs的速率從1mA變?yōu)?00mA時，1μF電容無法提供足夠的電流，因而產(chǎn)生大約80mV的負(fù)載瞬態(tài)，如圖1所示。當(dāng)電容增加到10μF時，負(fù)載瞬態(tài)會降至約70mV，如圖2所示。當(dāng)輸出電容再次增加并達(dá)到20μF時，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路可進(jìn)行跟蹤，主動降低負(fù)載瞬態(tài)，如圖3所示。這些示例都采用線性調(diào)節(jié)器ADP151，其輸入和輸出電壓分別為5V和3.3V。

2　輸入旁路電容

在VIN和GND之間連接一個1μ“F電容可以降低電路對PCB布局的敏感性，特別是在長輸入走線或高信號源阻抗的情況下。如果輸出端上要求使用1μF以上的電容，則應(yīng)增加輸入電容，使之與輸出電容匹配。

3　輸入和輸出電容特性

輸入和輸出電容必須滿足預(yù)期工作溫度和工作電壓下的最小電容要求。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造，溫度和電壓不同，其特性也不相同。對于5V應(yīng)用，建議采用電壓額定值為6.3～10V的X5R或X7R電介質(zhì)。Y5V和Z5U電介質(zhì)的溫度和直流偏置特性不佳，因此不適合與LDO一起使用。

圖4所示為采用0402封裝的1μF、10V X5R電容與偏置電壓之間的關(guān)系。電容的封裝尺寸和電壓額定值對其電壓穩(wěn)定性影響極大。一般而言，封裝尺寸越大或電壓額定值越高，電壓穩(wěn)定性也就越好。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在－40～+85℃溫度范圍內(nèi)為±15％，與封裝或電壓額定值沒有函數(shù)關(guān)系。

要確定溫度、元件容差和電壓范圍內(nèi)的最差情況下電容，可用溫度變化率和容差來調(diào)整標(biāo)稱電容，見公式1。

CEFF＝CBIAS×(1-TVAR)×(1－TOL)　(1)

其中，CBIAS是工作電壓下的標(biāo)稱電容；TVAR是溫度范圍內(nèi)最差情況下的電容變化率(百分率)；TOL是最差情況下的元件容差(百分率)。

本例中，X5R電介質(zhì)在40～+85℃范圍內(nèi)的TVAR為15％；TOL為10％；CBIAS在1.8V時為0.94μF，如圖4所示。將這些值代入公式1，即可得出：

篇5

關(guān)鍵詞：LC 濾波器 大功率 陶瓷基板電容

中圖分類號：TN622 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）05-0086-02

在現(xiàn)代通信和電子對抗系統(tǒng)中，由于大功率發(fā)射機不可避免地會寄生一定功率的諧波信號，大功率濾波器用于接在發(fā)射機的輸出端對諧波信號進(jìn)行抑制，從而改善各分系統(tǒng)之間的電磁兼容性，提高系統(tǒng)的整體性能。因為大功率濾波器對系統(tǒng)性能的影響起著舉足輕重的作用，所以研制一種損耗低、抑制性能好的大功率濾波器相當(dāng)有必要。

本文所設(shè)計濾波器帶寬225MHz-500MHz，帶內(nèi)損耗小于 0.2dB，回波損耗優(yōu)于20dB，160MHz-710MHz之外抑制優(yōu)于20dB，125MHz-880MHz之外優(yōu)于40dB。當(dāng)然要想提高抑制增加濾波器節(jié)數(shù)是有效的方法，但是節(jié)數(shù)越多體積越大，本文所選為7節(jié)濾波器。

1 帶通濾波器的仿真設(shè)計

濾波器設(shè)計的理論知識已眾所周知，本文不再過多討論。利用Ansoft Designer的理論模型設(shè)計225MHz-500MHz帶通濾波器。帶通濾波器的原理圖如圖1。

在電路設(shè)計中插入器件畫出電路圖，并引入變量對電感和電容值進(jìn)行調(diào)諧，最后仿真結(jié)果如圖2。

得出仿真的電感和電容值后，按公式（1）、（2）計算出實際線圈和陶瓷基板的大小。

其中是平板表面積，代表平板間距，是真空中電導(dǎo)率值為8.85418×F/m，為相對真空中的介電常數(shù)；當(dāng)

2 板材溫升的簡單計算

溫升的計算方法有熱阻法、熱容法、散熱面積法等多種方法，本文采用熱阻法簡單計算一下基板的溫升。

溫升（℃），熱阻（℃/），功耗（），為平板的厚度（），為平板垂直于熱流方向的截面積（），為平板材料的熱導(dǎo)率（）。

濾波器的承受功率是2000瓦，損耗小于0.2dB，AL2O3陶瓷的熱傳導(dǎo)率是29.3，聚四氟乙烯的熱傳導(dǎo)率是0.27。假設(shè)以熱損耗是100瓦，按公式（3）、（4）進(jìn)行計算，AL2O3陶瓷基板的溫升在5℃左右，而聚四氟乙烯板的溫升在500℃左右。當(dāng)然，散熱方式包括傳導(dǎo)和輻射，即使50%的熱量通過輻射的方式散出去，聚四氟乙烯板的溫升也有250℃左右，對于此濾波器來說聚四氟乙烯板是絕對不適用的。本文只是粗略估算一下板材的溫升，計算并不是很準(zhǔn)確。

3 帶通濾波器的測試

調(diào)試完成后的帶通濾波器實物圖如圖3。

帶通濾波器用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試通帶、抑制、回波的小信號，結(jié)果如圖4。

此濾波器不僅進(jìn)行了常溫功率試驗，在高低溫-10℃和+55℃時承受2000瓦功率工作狀態(tài)依然穩(wěn)定。

4 設(shè)計中的一些細(xì)節(jié)

帶通濾波器在設(shè)計時選用了理想模型，電感和電容按理論值所制作出的濾波器頻率會稍有偏差，需要對電感和電容做細(xì)微的調(diào)整。

繞制電感線圈時，銅線如果選用太細(xì)散熱效果不好，選用太粗濾波器的體積較大，在設(shè)計中要選用適當(dāng)粗細(xì)的銅線。

電容在選擇時，通路電容按就近檔容值選用ATC10E型高耐壓值陶瓷電容，對地電容選用AL2O3陶瓷基板電容，以利于濾波器散熱。

陶瓷基板在焊接到金屬底板上時，如果兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)相差較大，最好選用中間膨脹系數(shù)材質(zhì)的金屬做墊板，以提高環(huán)境適應(yīng)性。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的LC大功率濾波器在損耗、回波、抑制、功率容量等各方面的指標(biāo)都比較好，大幅提高了LC濾波器的功率容量。而且本設(shè)計方案適用于所有使用LC濾波器的頻段，能夠很好的滿足大功率發(fā)射機的工程使用需求。

參考文獻(xiàn)

[1]Joseph F.White.射頻與微波工程實踐導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射頻電路設(shè)計-理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

篇6

表示LDO輸出噪聲的方法

有三種方法可表示LDO的輸出噪聲。

?在一定頻率范圍內(nèi)，輸出電壓噪聲的均方值(RMS)。

?在一定頻率范圍(10Hz～100kHz)內(nèi)，輸出電壓噪聲的峰峰值(見圖1)。圖中所示為SGM2007(Vout=3．0V，Cout=10μF，Cbp=0．1μF，Iload=10mA)在10Hz～100kHz內(nèi)的噪聲輸出峰峰值。

本文所討論的噪聲都是在一定頻率范圍內(nèi)，如10Hz～100kHz。一般的LDO輸出噪聲在10Hz～20MHz內(nèi)還是比較大的(見圖2)。

一般輸出電壓噪聲的峰峰值在一定頻率范圍內(nèi)為均方值(RMS)的6．6倍，這就為客戶在具體頻率下的應(yīng)用提供了很好的參考。

?在某一頻率點，輸出電壓的噪聲密度值。

產(chǎn)生噪聲的原因

LDO主要包括了啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路等。它的基本工作原理是：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動。恒流源電路給整個電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升。當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值。同理，如果輸入電壓變化或輸出電流變化，閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即：

Vout=(RI+R2)／R2×Vref(1)

LDO的輸出噪聲受其內(nèi)部設(shè)計和外部旁路、補償電路的影響。圖3是LDO的簡單結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，LDO輸出噪聲的主要來源是基準(zhǔn)電路(VoltageReference)模塊，其產(chǎn)生的基準(zhǔn)噪聲在輸出端被放大。此外，影響LDO輸出噪聲的其他因素還有：LDO內(nèi)部放大器的極點、零點和輸出極點，外部輸出電容的容值和輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)值，以及負(fù)載值。

降低輸出噪聲的方法

?BP端加旁路電容

為降低基準(zhǔn)噪聲，需要在基準(zhǔn)的輸出端增加一路低通濾波器，濾波器可以集成在LDO內(nèi)部或由外部電路實現(xiàn)。但內(nèi)置濾波器占用了較大的管芯尺寸，增加了芯片的設(shè)計和生產(chǎn)成本。為此，有些低噪聲LDO芯片只是提供一個基準(zhǔn)的引腳BP(By-pass)，用于連接基準(zhǔn)旁路電容。

連接基準(zhǔn)旁路電容可降低基準(zhǔn)噪聲，使基準(zhǔn)噪聲成為產(chǎn)生LDO輸出噪聲的次要因素。建議使用典型值為470pF～0．01μF的陶瓷電容，也可使用此范圍以外的電容，但會對輸入電源上電時LDO輸出電壓上升的速度產(chǎn)生影響。旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。在使用時要注意這點。

圖4為旁路電容對SG2001輸出噪聲的影響。由圖可見，隨著旁路電容的增大，輸出噪聲也會有一定程度的減少。

?減小LDO的負(fù)載電流。

負(fù)載電流也會在一定程度上影響LD0的輸出噪聲。圖5為負(fù)載電流對SGM2007輸出噪聲影響。由圖可見，隨著負(fù)載電流的增大，輸出噪聲也會有一定的增加。為了減小負(fù)載電流對LDO輸出噪聲的影響，要盡量選擇輸出電流大的LDO。

?增大LDO的輸出電容

篇7

【關(guān)鍵詞】 LDO 穩(wěn)壓器 單片機 復(fù)位 ESR

1 引言

LDO穩(wěn)壓器具有小型化、低壓差、低輸出噪聲的諸多優(yōu)點。但在使用過程中有許多需要注意的事項，如果忽略了這些條件將會導(dǎo)致穩(wěn)壓器工作不穩(wěn)定，甚至發(fā)生振蕩。筆者在工程實踐中遇到過由于LDO工作不穩(wěn)定從而造成單片機上電復(fù)位有時正常有時不正常的情況。通過分析查明原因，通過增大輸出電容值解決了故障。

2 關(guān)于LDO穩(wěn)壓器的說明

LDO對輸入電容的要求：（1）容值要大于某個值，對與LP2985來說要大于1uF；（2）輸入無需考慮電容的ESR值的影響；（3）輸入使用坦電解電容時一定考慮到浪涌電流的影響，選擇電容時要留有一定的裕量（一倍），因為坦電解電容在浪涌電流沖擊下會失效，導(dǎo)致輸入容值不能滿足要求；（4）輸入端使用陶瓷電容時一定要考慮溫度對陶瓷電容容值的影響，根據(jù)手冊留足裕量，或者選用受溫度影響較小的陶瓷電容。

LDO對輸出電容的要求：

LDO穩(wěn)壓塊原理上利用的負(fù)反饋，由于體積很小所以需要通過外接電容的ESR（等效串連電阻）來補償半邊的零點。這個值太大太小都不行。穩(wěn)定區(qū)間又被稱為“穩(wěn)定區(qū)間”，輸出電容值超出這一區(qū)間將會導(dǎo)致穩(wěn)壓塊不穩(wěn)定甚至振蕩。注意低溫時坦電解電容的ESR值會增大。圖1和圖2給出了常見的兩種LDO穩(wěn)壓器LP2985和TPS76333的“穩(wěn)定區(qū)間”。表1給出了常用電容的ESR值。

Bypass腳的電容對電源上升時間的影響：

以LP2985為例，給出如圖3、圖4兩張圖?？梢姴煌葜档呐月冯娙輰﹄娫吹纳仙龝r間影響很大。

3 關(guān)于單片機復(fù)位的說明

以常見的AVR單片機ATmega8為例，它有4個復(fù)位源：

1.上電復(fù)位：電源電壓低于上電復(fù)位門限VPOT時，單片機復(fù)位；

2.外部復(fù)位：Reset引腳上的低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時MCU復(fù)位；

3.看門狗復(fù)位：看門狗使能并且看門狗定時器溢出時復(fù)位發(fā)生；

4.掉電檢測復(fù)位：掉電檢測復(fù)位功能使能，且電源電壓低于掉電檢測復(fù)位門限VBOT時，MCU復(fù)位。

AVR單片機可通過融絲位來設(shè)置復(fù)位延時時間，但最長的復(fù)位延時時間為65ms，如果送給單片機電源的上升時間（在1.3V～2.7V之間）比65ms還長就會導(dǎo)致單片機復(fù)位異常，復(fù)位不正常的單片機跑任何程序都會有問題。解決的方法就是減小電源的上升時間。

AVR單片機復(fù)位時所有的I/O寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠(yuǎn)不利用中斷功能，中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。這個處理方法同樣適用于當(dāng)復(fù)位向量位于應(yīng)用程序區(qū)，中斷向量位于Boot區(qū)或者反過來的時候。

復(fù)位源有效時I/O端口立即復(fù)位為初始值。此時不要求任何時鐘處于正常運行狀態(tài)。所有的復(fù)位信號消失之后，芯片內(nèi)部的一個延遲計數(shù)器被激活，將內(nèi)部復(fù)位的時間延長。這種處理方式使得在MCU正常工作之前有一定的時間讓電源達(dá)到穩(wěn)定的電平。延遲計數(shù)器的溢出時間通過熔絲位SUT與CKSEL設(shè)定。

所有的延時信號消失后，芯片內(nèi)的internal reset信號被激活，將內(nèi)部復(fù)位信號的時間延長，這種工作方式使得MCU正常工作前留一定的時間使電源電壓保持穩(wěn)定，延時的時間可以通過融絲位中的SUT和CKSEL來設(shè)置，但最大的延時時間不超過64ms，如果電源在64ms后仍然沒有上升到正常的值（≥2.7V），將會導(dǎo)致程序工作不正常，即便是在程序中增加延時也不能完全解決問題，因為延時本身也是一段程序，電壓不正?？赡軙?dǎo)致延時也不正常，從而產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。

4 結(jié)束語

通過對LDO穩(wěn)壓器特性和AVR單片機復(fù)位的分析，筆者在電路設(shè)計中通過增大輸出電容值使LDO穩(wěn)壓器工作穩(wěn)定，從而減小電源的上升時間，達(dá)到單片機上電復(fù)位正常，解決了穩(wěn)壓器工作不穩(wěn)定，甚至發(fā)生振蕩，造成單片機上電復(fù)位有時正常有時不正常的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]馬潮，詹衛(wèi)前，耿德根.ATmega8原理及應(yīng)用手冊[M].清華大學(xué)出版社，2003.

[2]Texas Instruments Incorporated，TPS76330 Data Sheet，Texas Instruments，2000.

[3]National Semiconductor Corporation，LP2985 Data Sheet，National Semiconductor Corporation 1999.

作者單位

1.中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081

篇8

NPO（CG）：I類電介質(zhì)，溫度補償式，電氣特性最穩(wěn)定，基本上不隨溫度、電壓、時間的改變而改變。屬超穩(wěn)定、低損耗的電容材料型，造用于對穩(wěn)定性、可靠性要求較高的高頻、特高頻、甚高頻的場合。要注意所選電容器的溫度—時間曲線應(yīng)當(dāng)與被補償?shù)睦@組或其它元件的溫度—時間曲線正好相反。

X7R（2XI）：Ⅱ類電介質(zhì)，電氣特性較穩(wěn)定，溫度、電壓、時間特性變化不顯著。屬穩(wěn)定型電容材料類型，適用于隔直、耦合、旁路、濾波電路及可靠性要求較高的中、低頻場合。

Y5V（2F4），Z5U（2E6）：Ⅲ類電介質(zhì)，具有很高的介電常數(shù)，廣泛用于對容量、損耗要求不高的場合。

低頻瓷介電容器易被脈沖電壓擊穿，其耐熱性能較差，若焊接溫度過高可能損壞密封或使電極與引出線的連接不良，溫度突變可能使密封或介質(zhì)破損。銀電極電容器不應(yīng)在潮濕的環(huán)境下儲存，應(yīng)防止外殼受潮而使銀離子遷移，引起電容器短路。金屬化電容器不適合在較大的脈沖電流電路中工作。陶瓷電容器盡量不要用音響設(shè)備的電路中。

滌綸電容器一般使用在低頻電路中。聚碳酸脂薄膜電容器可在125℃高溫電路中工作。聚苯乙烯電容器。適合于要求RC時間常數(shù)大的電路中使用（特別適合音響電路），但耐溫性能差，只適合在65℃以下的工作環(huán)境中使用。同時具有低電平工作開路缺點，所以實際使用電壓，不應(yīng)低于額定工作電壓85%的值。

玻璃和云母電容器用于要求電容器較小、品質(zhì)系數(shù)高以及對溫度、頻率和穩(wěn)定性好的電路中。它們可作高頻耩和旁路，或在調(diào)諧電路中作固定電容器元件。安們具有高的絕緣電阻、低功耗系數(shù)、低電感和優(yōu)良的穩(wěn)定性等特性，特別適合于高頻應(yīng)用。因此，在脈沖電路中，建議使用云母，聚丙烯電容。從性能價格上考慮，應(yīng)優(yōu)先選用云母電容器，但是云母容器因云母片資源少，國內(nèi)生產(chǎn)廠家已經(jīng)很少了。

篇9

    1)      電荷泵的種類

•  開關(guān)式調(diào)整器升壓泵 (圖1.a)

•  無調(diào)整電容式電荷泵(圖1.b)

•  可調(diào)整電容式電荷泵(圖1.c)

三個電路的工作過程均為：首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。開關(guān)式調(diào)整器升壓泵采用電感器來貯存能量，而電荷泵采用電容器。

 

1)      電荷泵的工作原理

電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(xiàn)電壓提升，采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的，但需要外部電容器。工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容(1μF)，使空間占用最小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供±2倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS（ON）。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它

    輸出電壓是工廠生產(chǎn)精密予置的,調(diào)整能力是通過后端片上線性調(diào)整器實現(xiàn)的，因此電荷泵在設(shè)計時可按需要增加電荷泵的開關(guān)級數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計。從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,它實際上是一個片上系統(tǒng)(圖2)。

 

1)      電荷泵選用要點

作為一個設(shè)計工程師選用電荷泵時必然會考慮以下幾個要素：

• 轉(zhuǎn)換效率要高

  無調(diào)整電容式電荷泵        90%

  可調(diào)整電容式電荷泵        85%

  開關(guān)式調(diào)整器              83%                   

• 靜態(tài)電流要小，可以更省電；

• 輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能；

• 噪音要小，對手機的整體電路無干擾；

• 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機設(shè)計的更小巧；

• 足夠的輸出調(diào)整能力，電荷泵不會因工作在滿負(fù)荷狀態(tài)而發(fā)燙；

• 封裝尺寸小是手持產(chǎn)品普遍要求；

• 按裝成本低，包括周邊電路少占PCB板面積小，走線少而簡單；

• 具有關(guān)閉控制端，可在長時間待機狀態(tài)下關(guān)閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。

 

2)      幾種不同的電荷泵

• 輸出并聯(lián)穩(wěn)壓供電，周邊零件少，走線簡單，轉(zhuǎn)換效率高的AAT3110（圖3）

 

 • 輸出供電需要單獨走線的LM2794（圖.4）

 

• 恒流輸出串聯(lián)供電的LT1932（圖.5)

 

1)      AAT3110電荷泵的性能

   AAT3110微功率升壓電荷泵是美國研諾邏輯科技有限公司（AATI）開發(fā)的微功率開關(guān)電容器電壓提升轉(zhuǎn)換器，它可以提供一個穩(wěn)定的5V輸出，應(yīng)用時沒有其它升壓泵運作所必需的電感器，周邊只使用三個小的陶瓷電容器，它能輸出100mA電流。它可以驅(qū)動4-5個白色或藍(lán)色LED，以滿足彩色LCD背光的應(yīng)用。

AAT3110的特點是非常低的靜態(tài)電流和高的轉(zhuǎn)換效率，負(fù)載范圍大，是電池電源應(yīng)用的理想器件。AAT3110工作在電壓升壓狀態(tài)，在750KHz高頻運作，使用脈沖跳躍技術(shù)，從變化的輸入電壓中提供一個穩(wěn)定輸出電壓。輸入電壓范圍2.7V-5.5V，輸出穩(wěn)定的5V電壓，轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上，，輸出紋波大大小于同類產(chǎn)品，ESD大于2KV，具有短路保護(hù)、過溫保護(hù)功能，AAT3110自身功耗甚微僅13uA，在停機狀態(tài)下耗用電流小于1uA。AAT3110與其它公司同類產(chǎn)品相比輸出電流大、紋波小、價格低（圖.6），實際應(yīng)用時對LED并聯(lián)供電（圖.7）走線少，使用方便，因而工藝成本低，周邊電路不使用電感器件，無EMI輻射。

 

AAT3110主要技術(shù)參數(shù)：

•  工作電壓： Vin=2.7-5.5V

•  輸出電壓： Vout=5.0V/100mA

•  靜態(tài)電流： Iq=13uA  

•  停機狀態(tài)電流： ISHDN=1uA

•  工作效率： 90%以上，

•  工作頻率： 750KHz

•  封    裝： SOT23-6    SC70JW-8

   AAT3110采用6腳SOT-23和8腳SC70JW小尺寸封裝，適用于表面貼裝，在PCB板上所占空間很小。SC70JW是AATI專利超小8個腳封裝，晶片占空比達(dá)42%，占用PCB面積僅4.2平方毫米，芯片抬起按裝可利應(yīng)空氣受熱自然流動散熱和多3個腳接地可充分利用PCB散熱。

 

篇10

LCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

STN-LCD彩屏模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的上部是一塊由偏光片、玻璃、液晶組成的LCD屏，其下是白光LED和背光板，還包括LCD的驅(qū)動IC，和給LCD驅(qū)動IC提供一個穩(wěn)定電源的低壓差穩(wěn)壓器（LDO），二到八顆白光LED，LED驅(qū)動的升壓穩(wěn)壓IC。

LCM電路結(jié)構(gòu)

STN-LCD彩屏模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，外來電源Vcc經(jīng)LDO降壓穩(wěn)壓，向LCD驅(qū)動IC如三星的S6B33BOA提供工作電壓，驅(qū)動彩色STN-LCD的液晶顯示圖形和文字；外來電源Vcc經(jīng)電荷泵升壓穩(wěn)壓，向白光LED如99-21UWC提供恒定的恒壓、恒流電源，LED的白光經(jīng)背光板反射，使LCD液晶的65K色彩充分表現(xiàn)出來，LED的亮度直接影響LCD色彩的靚麗程度。

LCM主要光電器件

l Colour STN-LCD

l LCD Driver ： S6B33BOA

l LCD Driver LDO ：AAT3221-2.8V  AAT3221-3.0V

l White LED ： 99-21UWC/TR8 99-215UWC/TR8

l LED Driver ： AAT3110  AAT3113  AAT3123  AAT3134 NCP5007   NCP5008/9

l Backlight Board

LCD

LCD液晶顯示器是英文Liquid Crystal Display的簡稱，LCD屬于平面顯示器的一種，依驅(qū)動方式來分類可分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）以及主動矩陣驅(qū)動（Active Matrix）三種。其中，被動矩陣型又可分為扭轉(zhuǎn)式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭轉(zhuǎn)式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被動矩陣驅(qū)動液晶顯示器；而主動矩陣型大致可區(qū)分為薄膜式晶體管型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二極管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二種方式。TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉(zhuǎn)原理之不同，在視角、彩色、對比及動畫顯示品質(zhì)上有高低層次之差別，使其在產(chǎn)品的應(yīng)用范圍分類亦有明顯區(qū)隔。以目前液晶顯示技術(shù)所應(yīng)用的范圍以及層次而言，主動式矩陣驅(qū)動技術(shù)是以薄膜式晶體管型（TFT）為主流，多應(yīng)用于筆記本電腦及動畫、影像處理產(chǎn)品。而單純矩陣驅(qū)動技術(shù)目前則以扭轉(zhuǎn)向列（TN）、以及超扭轉(zhuǎn)向列（STN）為主，STN液晶顯示器經(jīng)由彩色濾光片（color filter），可以分別顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，可以顯示出全彩模式的真彩色。目前彩色STN-LCD的應(yīng)用多以手機、PDA、數(shù)碼相機和視屏游戲機消費性產(chǎn)品以及文書處理器為主。

LCD驅(qū)動IC

LCD驅(qū)動IC多選用日立、三星公司產(chǎn)品，如三星公司的S6B33BOA是一顆具有很好性能/價格比的65K色彩飽和度的STN-LCD驅(qū)動IC。

由于手機、PDA、數(shù)碼相機和視屏游戲機消費性產(chǎn)品都是以電池為電源的，隨著使用時間的增長，電源電壓波動較大，LCD驅(qū)動IC需要一個穩(wěn)定的工作電壓，因此設(shè)計電路時往往經(jīng)由一個低壓差穩(wěn)壓器(LDO)提供一個穩(wěn)定的2.8V或3.0V電壓，如AAT3221。

白光LED

按背光源的設(shè)計要求，需要前降電壓（VF）、前降電流（IF）小，亮度高（500-1800mcd）的白光LED。以手機LCM為例，目前都使用3--4顆白光LED，隨著LED的亮度增加和手機廠商要求降低成本和功耗，予計到2004年中LCM都會選用2顆高亮度白光LED（1200—2000mcd）。PDA和Smartphone由于LCD屏較大會按需要使用4--8顆白光LED。

EL 99-21/215UCW/TR8是具有很好性能/價格比、自帶反射鏡的白光SMDLED，其亮度分為T、S、R三個等級，T為720-1000 mcd，S為500-720 mcd，都是在手機LCD背光適用之列。其品質(zhì)等同于NACW215 / NSCW335。

LED驅(qū)動

白光LED的驅(qū)動需要供給恒定的電壓或恒定的電流，而手機電源一開始工作電壓就往下降，因而需要升壓器件升壓、穩(wěn)壓。為了減少升壓器件的工作頻率對手機射頻（RF）的影響，一般選用以電容器為電能傳遞中間體的電容式電荷泵；以電感器為電能傳遞中間體的升壓器能輸出較高電壓。

電容式電荷泵的效率按其升壓方法分有倍頻和分?jǐn)?shù)倍頻二種，前者效率約90%，后者效率約93-95%；電感式升壓器效率約83-85%；電容式電荷泵按其輸出分有恒壓輸出、恒流輸出；按其對LED驅(qū)動的方法分有并聯(lián)恒壓驅(qū)動、單個恒流驅(qū)動、串聯(lián)恒流驅(qū)動；電感式升壓器都是恒流輸出，輸出電壓較高，對LED串聯(lián)驅(qū)動。

倍頻升壓的電容式電荷泵如AAT3110，5V恒壓輸出，最大電流120mA，并聯(lián)驅(qū)動LED，如圖3所示。

分?jǐn)?shù)倍頻升壓的電容式電荷泵如AAT3113，有4-6路恒流輸出，每路能輸出20mA電流，單個恒流驅(qū)動LED，具有32級調(diào)光功能，如圖4所示。AAT3134將輸出DAC模塊分成二塊，其輸出可分別驅(qū)動雙屏顯示的大小LCM模塊。

NCP5009是帶光敏傳感器的背光LED驅(qū)動升壓器，適用于自動調(diào)光的高檔手機LCM，對LED串聯(lián)驅(qū)動，如圖5所示。NCP5007是可恒流驅(qū)動5顆串聯(lián)的LED、PWM調(diào)光的背光LED驅(qū)動升壓器，如圖6所示。

新型的電荷泵、升壓器輸出端內(nèi)部都內(nèi)置MOSFET，可動態(tài)地調(diào)整負(fù)載內(nèi)阻，省卻為平衡由于LED內(nèi)阻不一需要外加的勻流電阻；