电路设计可以如此简单

2010-10-09 16:54:39来源: www.v-module.com

    电路设计是每个电子工程师必须面对的挑战。在电子技术一百多年的发展过程中,随着技术的进步,特别是几次大的技术革命,让电路设计变得越来越简单。最初的电子管只能做成最基本的单元,用它进行电路设计对今天的工程师来说简直是一场梦魇。后来晶体管的出现大大缩小了电子设备的体积,降低了设计和调试的难度。但随着产品复杂程度的增加,晶体管电路的复杂程度也碰到了瓶颈。集成电路的出现又一次实现了飞跃,它将成千上万的晶体管集中在一片很小的硅片上以实现某些特定的功能。可以说,集成电路是当今所有复杂电子设备的基础,它不仅成千上万倍地提高了电子设备的性能,还大大降低了电路设计的难度。

    时至今日,即使是采用了集成电路,电路设计也仍然是个门槛不低的工作。首先要从众多功能近似的芯片中选择合适的IC产品。在选定了IC之后,要根据这颗IC的参考设计选择众多的外围器件,通常这会是比选IC本身更复杂的一项工作。接下来就是PCB的设计。这个步骤仍然要面对很多的挑战:体积的限制,EMI问题,线路阻抗,散热等等。调试工作也同样是很头疼的问题,对于缺乏经验的工程师而言,解决这些问题无疑是一个漫长而痛苦的过程。这些问题会延长产品的研发周期,错过最佳市场时间,从而影响到公司的竞争力。

    有没有一种设计的方法,使得电路设计变得像拼乐高玩具一样简单呢?V-Module系列电子模块的出现也许能在一定程度上帮助电子工程师实现这一梦想。下面以一个具体的设计为例来说明如何采用V-Module的电子功能模块来轻松地“搭”出一个完整的功能电路。

    假设要设计的电路是一个音质优异的车载的远距离立体声MP3转发器。稍有电路设计基础的工程师就可以规划出这个电路应该包括电源管理、立体声音频编码、FM调制及FM功率放大等部分:

    
 
    图一 电路功能框图

    下面分解说明一下各个电路的功能。

    首先是电源管理。这部分电路的作用主要是将汽车电瓶的电压(通常在13-14.4V之间)降到适合音频处理和FM调制器工作的电压,通常为3.3V或5V。同时电源管理还应当有一定的保护功能。这部分可以采用线性稳压电路或者是DC-DC电源。由于压差比较大,采用线性稳压显然是不符合绿色设计要求的,应当采用高效的DC-DC电路。DC-DC电路设计的难点是稳定性和EMI特性。关键元器件,特别是电感和输出滤波电容的选择以及布线的合理性直接会影响到电路的特性。以常见的DC-DC芯片MC34063为例,电路如下所示:

    
 
    图2 采用MC34063的DC-DC电路图

    采用该电路,可以将汽车点烟器的电压直接变换到FM调制芯片所需要的电压(3.3V或5V),效率可以达到70%以上。这个电路设计的关键是电感L1和电容Co的选取。L1不仅电流要满足负载的要求,而且工作频率也应当与芯片的开关频率相匹配。电感量的大小会影响到输出电源的纹波以及整个电路的稳定性和效率。输出电容Co的选取也很重要,通常应该选取等效内阻很低的无极性陶瓷叠层电容或者特殊的电解电容,有助于降低在大电流情况下电源的纹波。此外,PCB的布线也至关重要。不合理的布线会导致电路工作异常,纹波增大,并且开关辐射会严重地干扰其它电路部分。
接下来是音频的立体声编码和FM调制。现在已经有很多现成的IC可以完成这两项工作。最为大家熟悉的应当是ROHM公司的BA1414及其后续产品BA1415及BH1417等。BA1414为LC振荡电路,频率不稳定且容易受到干扰。而BH1417采用了PLL频率合成电路,稳定且不容易被干扰。下面是BH1417的应用电路:

    
 
    图3 采用BH1417的PLL立体声音频FM调制的电路

    BH1417具有很高的集成度。片内集成了立体声编码器以及PLL频率合成电路。在输入端还有预加重电路等,预加重电路的时间常数可以通过外接电容进行设置。振荡的频率可以通过D0-D3进行设置,一共有14个信道可选。不过该电路仍然需要大量的外围元件,其中的达林顿管MPSA13、变容管mv2109、可变电感以及7.68MHz的晶体都不太容易找到。由于有大量的外围元件,电路的布线和调试也同样是令人头疼的问题。另外受BH1417本身性能的限制,这个电路发射的音质距离高保真广播还有不小的差距。

    最后一个环节是射频功率放大电路。对于100mW的输出功率,这一级电路通常只需要一个三极管,看起来非常简单,如下图所示:

   

    图四 单管VHF功率放大电路

    这是一个效率较高的C类RF功率放大电路,晶体管工作在开关的状态,因此会产生大量的谐波,需要由C1,C2及电感构成的低通滤波器来减少谐波从而提高效率。这个看似简单的电路,如果元件的布局和PCB布线不合理,很容易产生寄生振荡从而导致电路无法工作。此外各元件参数的调整也是很上脑经的问题。

    将以上三部分电路级联起来,就构成了我们的目标设计。从以上说明可以看出,即使是如此简单的一个产品,也需要多达三四十个元器件,而且还要面临大量的设计和调试的问题,不是很有经验的工程师开发起来并不容易。

    如果换一种思路,采用V-Module的电子功能模块,所需要做的仅仅是根据需求选取相应的功能模块,再将它们用简单的几根走线连在一起就行了。针对上面的设计,我们需要三个功能模块:DC-DC电源模块、无线立体声FM发射模块以及RF功率放大模块。在V-Module产品列表中我们对应挑选出VMP3201、VMR6512和VMR6700,分别对应以上三项功能。选好模块之后,即使是没有什么经验的电子工程师,也能很容易地将这个电路设计出来,如下图所示:

   

    图五 采用V-Module模块设计的电路

    上图中,U1采用的是VMP3201 DC-DC电源模块,输入电压为5-20V,输出3.3V,最大电流为1.2A,静态电流仅为0.5mA,效率最高可达95%,非常适合用于汽车电子等领域应用。

    U2是高保真立体声音频FM发射模块VMR6512。该模块内部不仅集成了立体声编码和FM调制,还包含了DSP音频处理前端,可对音频进行数字化处理。VMR6512的频率通过串口命令进行设置,可以将工作频率设置为76.0-108.0MHz之间的任意值(步进0.1MHz)。除了模拟音频输入外,VMR6512还能接受多种不同格式的数字音频,可以与几乎所有的Codec进行数据链接,从而大大提高了音质。

    U2的输出功率最大只有6mW左右。要想放大到100mW,还需要十几个dB的功率增益。RF功率放大模块VMR6700能很好地胜任这项工作。17dB左右的功率增益,正好可以将VMR6512的输出放大到100多mW,发射距离高达500m(开阔地带)

    以上三个模块,外围除了电源去耦电容外,不再需要任何元件。只要在配上按钮、耳机插孔等器件,一个完整的车载远距离立体声FM转发器就完成了,元器件总数仅为十余只,基本上都是容量较大的电容。而且电路中没有任何需要进行调试的环节,只要连接无误就能正常工作。图五电路唯一需要说明的是由Q1,C3和R1构成的电路。这部分电路是使得VMR6700的上电有一定时间的延迟,以便让VMR6512进入稳定的工作状态。

    下面就是采用上述电路制作的一块快速实验板。实测结果表明,该电路在车内使用有非常优异的表现,传输音质和距离都远远超过普通市售产品。

   

    图六 采用V-Module模块制作的实验板

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编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2010/1009/article_3683.html
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