实例解析运算放大器的电源设计

电源设计是电子系统设计中的关键环节，其重要性不亚于人体的循环系统。理想电压源应具备零纹波、负载或输入电压变化时电压保持不变以及100%效率等特性。然而，由于电源架构和器件特性的限制，实际中并不存在完全理想的电源。这种现实要求电路设计师必须充分考虑电源设计的影响。

不合理的电源设计可能会导致电路性能下降，更严重的是降低系统的稳定性与可靠性。电源系统的设计遵循一些通用的原则。以下通过一个单元电路的电源系统设计进行分析：

TPF632A音频驱动器

TPF632A是由3PEAK公司开发的音频驱动器，广泛应用于机顶盒、电视、扬声器等产品中。该芯片采用集成设计，极大地简化了电路结构。PVDD为单电源输入引脚，内置电荷泵可将系统单电源转换为相应的负电压，并同时为电路供电。PVDD为运算放大器操作提供最大动态范围和输出幅度。此外，还内置了适合音频信号处理的防爆音噪声电路(UVP)。

那么问题来了：如此高度集成的芯片解决方案是否意味着电源设计可以随意进行？在设计过程中，以下几个要点通常不能忽略：

外部组件选择

电荷泵以开关状态运行，开关频率约为330kHz。在一个开关周期中，前半周期开启两个晶体管，后半周期开启另外两个晶体管。

• 电容选型：根据纹波要求和启动电流的要求，提供了最合理的参考值。对于电容材料的选择，需要X5R级或更高等级。这也是DCDC电源转换器的常见要求。选择不当的材料可能导致特定工作温度条件下电容值显著下降，从而导致开关电源性能下降甚至失效。
• 布局考虑：考虑到布局，电荷泵的三个电容放置位置应尽量靠近芯片。避免使用过孔走线，这可以最小化布线路径并减少寄生参数。快速切换的电流会在寄生电感上引起较大的瞬时电压超调或下降。

解耦电路设计

对于PVDD电源引脚，前级电源可能是LDO或DCDC转换器的输出电压。该电压本身带有高频噪声，这对于DCDC转换器来说是一个更严重的问题。运算放大器的PSRR（电源抑制比）在高频下会下降。最优考虑是在PVDD电源引脚引入RC或LC解耦网络。推荐C1的电容值为1μF或以上，以满足电荷泵运作的要求。对于L1，一种简化的做法是使用电阻。考虑到芯片运行时的电流为mA级别，过大的电阻值会导致过大的电压降。建议电阻值不应超过10欧姆。更好的选择是放置磁珠。

磁珠的重要参数包括直流电阻(DCR)、交流电阻和额定电流。磁珠的明显优势在于其DCR非常低，同时呈现较大的AC阻抗。

总结

电源系统的设计遵循一些通用的方法和原则：

1. 布板时应优先考虑电源电路。区分电源路径和信号路径，优化走线和接地。
2. 组件选择应考虑各种重要参数，以确保设计余量。
3. 高压和高电流系统会引入安全和EMC要求。