林伟鸿

由于高精度测量系统工作频率高，数据处理量大，功耗也相对较高，而供电系统的好坏直接影响到系统的稳定性和系统的精度，所以设计高效率、高可靠性的供电系统具有极其重要的现实意义。本文主要叙述了一个实际高精度测量系统的电源设计。 1DSP和FPGA的电源要求 系统各个电源转换芯片统一由蓄电池供电。电源模块在用蓄电池加电时，其电压上升过程中与达到稳定状态前可能出现较严重的波动。而DSP和FPGA在上电过程中如果电压波动较大，加载可能失败并导致后续加载操作异常。为了保证加载成功，不会产生不受控制的状态，所以在系统中加入了电压监控和复位电路，以确保DSP和FPGA芯片在系统加电过程中始终处于复位状态，直到电压达到所要求的电平。同时，一旦电源的电压降到阈值以下，强制芯片进入复位状态，确保系统稳定地工作。因为系统用6V蓄电池供电，所以电压不会超过6V，只需进行欠压监控。 2电源系统设计 系统中存在模拟电路和数字电路供电。本文重点介绍数字电路电源部分。 本设计采用TPS5431×系列电压转换芯片设计数字电源系统，分别产生DSP和PFGA的内核和外围电压以及+5V电压。TPS5431×系列是低电压输入、大电流输出的同步PWMBuck降压式电压转换器，其电路外围器件少，60mΩ的MOSFET开关管保证了在持续3A的输出电流时超过92%高效率；输出电压有0.9V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V可选，初始误差为1%；PWM频率范围从280～700kHz；通过峰值电流限制和热关断实现过载保护；加强散热型的PWP封装为芯片提供了更好的散热；综合解决了电路板面积和成本。 2.1内核电压的产生 本部分主要是为TMS320C6713B和EPIC12设计内核供电系统，其内核电压分别为1.2V和1.5V，分别用TPS54312和TPS54313来产生，具体电路如图1、图2所示。为了满足供电顺序的要求，图1、图2中的PWRGD接到图3中的SS/ENA脚。 参数的选取：芯片的开关频率设为700kHz，为此，需要保持FSEL脚开路并在RT脚和AGND脚之间串联71.5kΩ的电阻；输出滤波电感的取值范围在4.7“10μH之间，本文选用4.7μH的贴片电感；SS/ENA脚通过一个低容值电容接地，其功能为使能、输出延迟和电压上升延迟。其中延迟时间和电容值成正比，近似为： 式中：td为输出延迟时间（秒）；C（SS）为SS/ENA脚所接电容（F）；t（SS）为输出电压上升延迟时间（秒）。 [...]

应用 能量收集技术可用于为各种传感器和电子设备提供自主可再生能源，使其能够利用温差产生能量。利用效率越来越高的器件，将为充分利用热能收集的新解决方案铺平道路。 在可穿戴系统中，用于热能收集技术的一个有趣方法是利用热能来产生一些小电流，这实际上利用的是人体温度和环境温度之间的温度差。无论是在自然环境还是人工环境中，到处都存在温度差。利用这些温差或梯度都可以产生热电能。 热能 根据物理定律，系统的能量总是守恒的，只是能量有可能从一种形式转变为另一种形式。于是，从各种环境能源中获取能量是可能的。 在人们生活周围的环境中，充满了温度和热量的变化。发动机废料产生的热量、土壤产生的地热、钢铁厂冷却水产生的热量以及其他工业活动都是典型的例子。利用热电产生器(TEG)和其他一些电子设备，就可以把热能转化为电能，然后还可以将其保存在存储设备中。TEG的基本原理是热流(由温差引起)可以转换为电能。它非常适合体积通常非常小、并且没有运动部件的固态低功耗嵌入式设备。 塞贝克效应 塞贝克效应是当材料两侧之间存在温度梯度时产生电压的过程。TEG的基本元件是p-n结，它由热电材料p和n的单个结构组成，每个结构电气串联连接，并掺杂有硼(p)和磷(n)等杂质。 TEG模块的基本建构块是几个串联的p-n对。p-n对在此配置中平行排列，以产生与温度梯度成比例的电压。要正常工作，设备的热(Th)侧和冷(Tc)侧必须处于不同的温度。热电材料的性能(由热电优值ZT测得)由公式(1)给出： ZT=S2T/σλ                (1) [...]

关于气态或挥发性污染物对健康影响的新知识层出不穷，它们不断向人们强调着对室内外空气质量进行监测的必要性。许多挥发物即使是处于微量水平，在短时间暴露后，仍然会对人体健康有害。越来越多的消费品和工业产品都可能排放已知有害的挥发物，包括家具、乘用车和工业卡车。人们对检测气态污染物的关注度不断上升，希望通过建立相关有效的响应机制降低或消除这种健康风险。许多国家以及国际组织一直在致力于制定各种指南、法规和标准，以监测工业、医疗、户外、室内办公以及住宅环境中的空气质量。根据这些指南，制造商可以对其产品进行认证，也可以让用户了解可最低限度接受的气态污染物水平。例如，美国环境保护署 (EPA) 就利用尖端科学制定法规，以高性价比的方式减少并控制空气污染。对于最常见的污染物，EPA 每五年整理一次数据，重新评估空气法规的完善性。该机构还明确了可能影响空气质量的特定化学物及其来源，如汽车、卡车和发电厂。EPA的主要目标之一就是将污染物与带来健康风险的主要来源关联起来。 气体监测传感器的类型 用于空气质量监测 (AQM) 的气体分析仪有两大类。根据监管部门接受度，排名第一的仍是传统分析仪器，例如气相色谱 (GC)、质谱 (MS)、化学发光 (CL)、紫外/可见 UV/VIS、激光和光声系统。多年以来，这些现场便携、甚至可穿戴的传统技术已经表现出卓越的性能，而且多数已获得 EPA、世界卫生组织 (WHO) 和其他国家及国际组织的批准或认可。但对用户而言，传统分析仪也存在诸多缺陷，例如使用成本过高、电力需求大，并且通常需要频繁的维护。这限制了它们在广泛性气体监测中的普遍采用。排名第二的是基于不同设计原理的传统气体传感器，如基于电化学和金属氧化物 (MOx) 、Pellistor、非色散红外 (NDIR) 或其他。为了应对的气体传感器应用繁多的现状，如消费者可用的室/内外 AQM、医疗诊断和国土安全等不同领域的应用，人们对价格合理且高性能传感器的需求凸显。近年来，气体传感器制造商已经采取了一些新的技术和制造规范，包括电化学传感器中的非水电解质，以及MOx、Pellistor 和 NDIR 传感器中采用的微加工MEMS技术。这些技术的进步推动了功率、成本以及尺寸方面的优化。尤其是尺寸方面的进步更加醒目，部分现代传感器的尺寸甚至从一颗樱桃的大小缩小到一粒米的大小。 气体传感器的市场发展趋势 为了解不断增长的气体传感器市场趋势，SEMI MEMS 和传感器产业联盟 (MSIG) 联络了多家气体传感器系统开发商，研究现有的传感器模块是否能够满足他们的需求，明确传感器制造商们需要解决的共同痛点，以便跟上要求苛刻的新应用的脚步。在参与调查的公司中，目标应用范围从个人健康监测到智慧城市的大范围环境监测不等。大多数公司都指出，空气质量是其关注的主要参数。尽管用例不同，但多数公司都希望他们的应用能够在室内和室外环境中以同样高精度水平的工作。然而，调查结果显示，并没有一款适合所有用例的解决方案。室内和室外的污染物不同，针对不同污染物的检测技术能力也各有所长。该次调查收集了传感器的各项参数数据，包括精度、尺寸、数据速率、功耗、标定和价格，以及每个参数对其应用的影响。这些公司还提供了对裸传感元件以及传感器系统的评价。传感器系统中包含了标定、数据传输和传感器逻辑等辅助组件。精度：在没有混杂气体的情况下进行测量时，大约一半的受访公司对市场现有传感器的精度感到满意。气体传感器制造商正在努力提高传感器对目标气体的选择能力，同时降低其他气体的干扰。报告中对漂移和标定等其他问题也有提及。近几年来，气体传感器在大多数关键性能参数方面都有了巨大的改善。MEMS等新技术也越来越多地综合利用传感器硬件、集成气体过滤器和软件技术，以提高性能，并达到可以与传统分析仪器解决方案相媲美的性能水平。尺寸：此次调查涉及的传感器封装尺寸从3mm x 3mm到10mm x 10mm不等。气体传感器的尺寸取决于设备采用的技术。金属氧化物传感器的尺寸可以很小，满足3mm x 3mm的尺寸要求；而NDIR、电化学和Pellistor传感器则相对较大。数据速率：多数参与调查的公司并未报告他们偏好的数据速率，提供信息的频率从每秒一次到每10分钟一次不等。通常，气体传感器的数据速率应与所监测气体浓度变化的预期时间常数相当。例如，智能办公大楼可以根据被监测房间的体积和空气交换速度，以每1-10分钟一次的数据速率检测二氧化碳浓度的变化。相比之下，考虑到室外有风模式的动态条件，在智慧城市的都市环境中检测公共汽车站附近气体的突变，其数据速率应约为每秒一次。功耗：各公司提交的数据显示，功耗范围从100µW到1W不等。我们猜测如此宽范围可归因于设备是电池供电还是线路供电。气体传感器是系统的一部分，通常需要直接在系统功耗与其数据速率之间进行权衡，降低数据速率将有助于降低功耗。但现代气体传感器系统设计具备数字接口和可编程性，利用睡眠模式、断电或其他类似技术也可优化功耗。标定：参与调查的公司都存储了特定应用的标定参数，无论是采用裸传感元件还是传感器系统。大多数公司都希望气体传感器系统在出厂之前进行标定，但同时也希望提供下线标定（End of Line Calibration）的选择。令人意外的是，这些公司都表示愿意在发货前进行下线标定，尽管这通常会增加成本。这种意愿表明了高精度的重要性，而且各公司都愿与传感器制造商共同努力，实现这一目标。价格：对于气体传感器当前的定价，各公司的满意度则参差不齐，具体取决于他们购买的是裸传感元件还是包含标定、数据传输、传感器逻辑或其他功能的传感器系统。预期价格范围从大批量消费设备的几美元到工业或汽车用例的10多美元不等。最新的气体传感技术进步使降低成本成为可能。例如，通常采用体硅工艺的 MEMS解决方案就有降低成本的可能性，尽管这些技术还不是目前使用的广泛性气体传感器解决方案。此外，非气体传感器中的大多数MEMS平台都集成了数字功能，这使其更容易被更大的传感器网络控制或集成，从而有可能为最终用户降低这些传感器的总拥有成本（TCO）。传感器系统标定是 MEMS和任何其他传感器系统成本的重要组成部分，业界已将其确定为降低成本的关键步骤。

设计和优化天线并非易事。如果要设计工业物联网天线，可以使用参考设计作为起点。 问题是，如果将其应用到最终产品设计，能通过改变什么参数来优化设计呢？ 人们可能认为，对经验丰富的设计师来说，设计和优化天线可能会很容易。毕竟，他们已是专家，并在工作过程中，目睹过或亲自经历过不少失败，并吸取过不少经验教训。然而，技术标准一直在快速升级，年轻的设计师根本没有犯错的经验，而且还要求他们在更短的时间内设计产品上市，并保证设计“一次成功”，这如何实现呢？解决方案是利用EDA软件！因为在一定程度上，电子设计是可以利用软件自动实现的。 本文讨论一款工业物联网产品的蓝牙天线设计，设计目标是将蓝牙天线集成到无显示器的产品中，并利用智能手机上的应用程序来实现对设备的各种配置。实际上这也是一项常用设计，设计概念同样适用于其他各类不同产品。 通过网上搜索，找到了Cypress半导体的一款蓝牙天线参考设计。不过其说明书中已注明，该设计仅供参考，并不能用作实际产品模块设计。因为它只是为实验室工作而设计的，目的是为软件工程师搭建开发平台，使他们在PCB设计出来之前，就能够同步进行软件开发。 由于原理图、BOM和PCB布局等设计数据，均以Cadence Allegro格式提供，因此可将其作为优化的起点。不过该参考设计在实验室中用的是大连接器。 故该设计有两个目标，分别是天线小型化和天线性能优化。当利用刚柔PCB来替代大连接器时，可以实现天线结构的小型化。但这会对天线性能产生什么影响呢？对此进行了一系列“假设”分析，以了解这些变化的影响，并提出实现这两个目标的正确策略。 微波设计数据的导入和设置非常简单。端口是以自动方式设置的，设计师必须输入一些用于网表的参数。另外，还输入了所选PCB的实际材料值，包括合适的厚度和介电常数值(FR-4：标准Isola 370HR，εr=4,0)。 在初次分析中，重点研究了折式倒置型F天线的长度、以及芯片和天线之间的阻抗匹配网络。 根据2.45GHz设计频率上的天线回波损耗，通过各种天线长度的组合扫频分析，得出了天线最佳长度。

随着电力电子技术的发展，各种开关电源、PWM脉宽调制器、变频器、斩波器等电子电路的应用不断扩大，这些电子电路中的主回路，无论是采用了晶闸管，还是VDMOS、IGBT、GTO等新型电子器件，都需要一个与之并联的快速二极管，以减少电容的充电时间，提供负载的无功电流通道，同时抑制因负载电流瞬间反向而感应的高电压。由于这些电子器件的频率和性能不断提高，要求与之匹配的二极管必须具备恢复时间短，反向恢复电流小和软恢复等特点。而快恢复二极管(FRD)因具备上述特点而被广泛应用。本文简要介绍快恢复二极管的反向恢复过程，及基于TCAD软件工具采取一系列方法优化恢复二极管的反向恢复，使其能够实现快速而软的恢复。 快恢复二极管的反向恢复 反向恢复过程 所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都以少数载流子的形式存储电荷。少子的注入引起的电导调制效应可降低通态电压(VF),从这个意义讲，它对二极管是有益的。但是当正在导通的二极管突然加一反向电压时，由于二极管内存有大量的少子，故在二极管截止前，需要一段时间将这些少子全部中和或抽出，这个过程就是反向恢复过程，所需的时间就是反向恢复时间(trr)。 反向恢复的全过程可分为五部分，如图1所示。在时间t0之前，快恢复二极管处于正向导通状态，空穴向基区N-扩散，电子由N-区向P+区扩散，此过程二极管内存储大量的少数载流子。 t0-t1(电流下降过程)：当t0时，快恢复二极管被加上反向电压VR。此时P+N-结的N-区存在的大量少数载流子依然向阴极方向扩散，且浓度大于由N-区往P+区抽出和复合消失的少数载流子浓度，故电流依然保持正向流动的方向(只分析了N-区的少子，P+区的少子同理)。随着N-区边缘的少数载流子浓度愈来愈小，电流虽保持正向流动的方向，但其值在以di/dt的速度逐渐减小(di/dt的大小由反向电压VR，电路的电感系数及电路结构决定)。直至t1时，N-区边缘的少子扩散浓度与基区N-区向P+区漂移的少子浓度相持平，此时电流开始反向。 t1-t2(电荷存储过程)：N-区边缘的空穴继续被抽出和复合掉。直至时间t2时，空穴的浓度低于N-区热平衡值(总的热载流子浓度为零)，致使电压开始反向开始形成耗尽层。 t2-t3(电压上升过程)：耗尽层形成以后，加剧漂移区的过剩载流子的抽取，且反向电压以dv/dt的速度增大。随着电压不断增大，耗尽层宽度越来越大，直到电压达到外加电压VR时(di/dt=0)，电流到达最大Ipr。 t3-t4(感应过程)：电流达到最大值Ipr后，则以diR/dt的速度衰减，在感性负载的影响下，反向电压将进一步增加直至t=t4时。此时恢复电压达到最大值Vpr，同时二极管的耗尽层也达到最宽。 t4-t5(恢复过程)：电压的回降使得耗尽层随之变窄，到t5时电压和耗尽层宽度基本下降到稳定值，电流达到漏电流。而反向恢复失效往往发生在此过程。

一、5G通讯技术对PCB的需求 高频信号传输：5G通讯技术需要更高的频率和更大的带宽，这对PCB的设计和制造提出了更高的要求。PCB需要具备低损耗和高频率信号传输的能力，以确保5G设备的通信质量。 多层堆叠设计：为了满足5G通讯技术对更多功能和更高性能的需求，PCB需要采用多层堆叠设计。通过在PCB上堆叠多层电路，可以实现更高的集成度和更快的信号传输速度。 射频信号管理：5G通讯技术中的射频信号管理是至关重要的。PCB需要通过合理的布局和设计，降低射频信号的干扰和损耗，以确保5G设备的性能和稳定性。 二、PCB在5G设备中的关键作用 信号传输媒介：PCB作为电子设备的核心媒介，承载着5G设备中的各种信号传输。它连接着各种组件和芯片，实现信号的传递和处理，确保设备的正常运行和通信质量。 电源管理：5G设备的高性能和大功耗对电源管理提出了更高的要求。PCB需要提供稳定的电源供应，同时降低电源噪声和干扰，以确保设备的稳定性和可靠性。 散热和尺寸优化：5G设备的高性能和高功率密度导致设备产生大量的热量。PCB需要通过合理的散热设计，将热量有效地分散出去，以保持设备的正常工作温度。同时，PCB还需要进行尺寸优化，以适应5G设备越来越小型化的趋势。 三、5G通信技术对PCB技术的影响 高频率信号传输：5G通信技术需要更高的频率和更大的带宽，这对PCB的设计和制造提出了更高的要求。PCB需要具备低损耗和高频率信号传输的能力，以确保5G设备的通信质量。 [...]