【嵌入式系统设计师（软考中级）】第二章：嵌入式系统硬件基础知识——⑤电源及电路设计

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🚀本文系统介绍了嵌入式系统电源分类管理、电子电路设计原理、PCB设计流程及测试方法，涵盖电源架构、信号完整性、电磁兼容等核心技术要点。

🔥软考考点：电源分类（AC/DC/电池）、PCB设计过程、PCB设计原则（3W/20H规则）、电路测试方法（ICT/FCT）、可靠性设计（降额/EMC）及硬件测试标准（ESS/HALT）。重点掌握多层PCB布线规范和电磁兼容措施。

7. 嵌入式系统电源分类及管理

嵌入式系统的电源设计是确保系统稳定可靠运行的关键环节。现代嵌入式系统对电源管理提出了更高要求，需要兼顾效率、稳定性和灵活性。

7.1 嵌入式系统电源分类

嵌入式系统的电源可以根据不同标准进行分类：

分类方式	类别	描述
按电源类型	交流电源(AC)	通常需要通过AC-DC转换器转换为直流供嵌入式系统使用
按电源类型	直流电源(DC)	包括电池电源、DC-DC转换器输出等
按电源类型	电池电源	锂电池、镍氢电池、纽扣电池等
按电源类型	能量收集电源	太阳能、振动能量、热能等环境能量转换而来的电源
按电压等级	高压电源	通常指高于24V的输入电源
按电压等级	中压电源	5V-24V之间的电源
按电压等级	低压电源	1.8V-5V之间的电源
按电压等级	超低压电源	低于1.8V的电源
按电源架构	集中式电源	单一电源模块为整个系统供电
按电源架构	分布式电源	多个电源模块分布在系统不同位置
按电源架构	混合式电源	集中与分布式相结合的架构

7.2 电源管理技术

现代嵌入式系统的电源管理包括以下关键技术：

电源转换技术：

• 线性稳压器(LDO)：简单、低噪声但效率较低
• 开关稳压器(DC-DC)：效率高但设计复杂
• 电荷泵：无需电感的电压转换方案

动态电压频率调整(DVFS)：
根据处理器负载动态调整工作电压和频率，在性能和功耗间取得平衡。典型实现包括：

1. 监控CPU负载
2. 预测未来负载
3. 选择合适的电压频率组合
4. 平滑过渡到新工作点

低功耗模式管理：

• 运行模式：全功能全性能状态
• 空闲模式：CPU暂停但外设运行
• 睡眠模式：仅保留必要功能
• 深度睡眠模式：仅维持最低功耗状态
• 关机模式：完全断电

典型电源管理IC(PMIC)功能：

1. 多路电压转换与调节
2. 时序控制
3. 低功耗模式控制
4. 复位生成
5. 温度监控
6. 充电管理

7.3 电源完整性设计

确保电源完整性是嵌入式系统稳定工作的基础：

去耦电容设计：

• 大容量电解电容(10-100μF)用于低频去耦
• 陶瓷电容(0.1μF)用于中频去耦
• 小容量陶瓷电容(0.01μF)用于高频去耦

电源平面设计原则：

1. 低阻抗路径
2. 足够的电流承载能力
3. 合理的分割与隔离
4. 良好的接地配合

电源噪声抑制技术：

• π型滤波器
• 磁珠滤波
• 有源噪声消除
• 合理的布局布线

8. 电子电路设计

8.1 电子电路设计基础知识

8.1.1 电子电路设计原理

电子电路设计是构建电子系统的核心过程，其基本原理包括信号完整性、功率完整性和电磁兼容性三大方面。信号完整性关注信号在传输过程中的质量，涉及传输线理论、阻抗匹配和串扰分析；功率完整性确保电源分配网络的稳定，需要考虑电流回路、电压降(IR Drop)和地弹控制；电磁兼容性则处理电子设备在电磁环境中的性能，包括电磁干扰(EMI)抑制和电磁敏感性(EMS)防护。

现代电子电路设计还特别注重热设计原理，包括热阻计算、散热路径设计、温度分布分析和散热器选择。良好的热设计可显著提高电子设备的可靠性和使用寿命。

8.1.2 电子电路设计方法及步骤

电子电路设计遵循系统化的流程：

1. 需求分析：明确功能需求、性能指标、工作环境和可靠性要求
2. 方案设计：确定总体架构、关键器件选型和技术路线
3. 电路设计：完成原理图设计、仿真验证和参数计算
4. PCB设计：包括布局规划、布线设计和层叠结构确定
5. 原型制作：PCB制造、元器件焊接和组装调试
6. 测试验证：功能测试、性能测试和环境试验
7. 设计优化：问题分析和方案改进

现代设计方法强调模块化、层次化和参数化设计，同时提倡硬件软件协同开发。

8.1.3 电子电路可靠性设计

电子电路可靠性设计包含三个关键方面：

1. 元器件可靠性：实施降额设计(电压、电流、功率、温度)、评估元器件寿命、严格供应商质量管控
2. 电路可靠性：采用冗余设计、保护电路(过压/过流/反接)、故障安全模式和状态监测电路
3. 环境适应性：考虑温度适应性、湿度防护、振动与冲击防护以及防尘防水设计

可靠性分析方法包括FMEA(故障模式与影响分析)、FTA(故障树分析)、可靠性预计和HALT(高加速寿命试验)。

8.2 PCB设计基础知识

8.2.1 PCB设计原理

PCB设计原理涵盖信号传输、电磁兼容和热传导三大领域。信号传输原理涉及微带线(Microstrip)与带状线(Stripline)特性、特性阻抗计算、传播延迟计算和损耗机制分析。电磁兼容原理强调环路面积最小化、分割与隔离技术、屏蔽效能分析和共模噪声抑制。热传导原理则包括热阻网络分析、散热过孔设计、铜皮散热计算和热对称设计。

8.2.2 PCB设计方法及步骤

PCB设计过程可以整体分为四个阶段：

以下将基于Altium Designer通过一个实例来说明PCB的设计过程。

1. 原理图设计（SCH文件）

• 作用：电路的逻辑表达，用图形符号展示元器件连接关系
• 核心要素：
  • 元器件符号（电阻、IC等）
  • 电气连接（导线、网络标签）
  • 注释（参数、功能说明）
• 输出：.sch或.dsn文件（EDA工具专属格式）
• 关键点：
  • 符号与实物封装必须对应
  • 需通过ERC（电气规则检查）
    

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2. 网络表（NET文件）

• 作用：连接SCH与PCB的"桥梁"，记录所有电气连接关系
• 生成方式：EDA工具自动从SCH导出（如Altium的Design → Netlist）
• 常见问题：网络命名冲突、悬空引脚未处理

用文本编辑器（如 Notepad++）打开 .NET 文件，内容示例如下：

[
C1 0.1uF CAP0805
R1 10K RES0603
]
(
NetC1_1 C1-1 U1-5
NetVCC U1-3 R1-1
)

• 第一部分 [ ]：元件列表（位号、参数、封装）。

• 第二部分 ( )：网络连接关系（网络名 + 连接的元件引脚）。

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3. PCB板图布局

• 核心任务：将原理图转化为实体电路板设计
• 关键步骤：
  1. 布局规划：
     • 功能区划分（电源、数字、模拟）
     • 关键器件优先摆放（连接器、CPU）
  2. 布线设计：
     • 高速信号优先（等长、阻抗控制）
     • 电源树状分布（避免回路干扰）
  3. 设计验证：
     • DRC（设计规则检查）
     • 3D模型检查（结构干涉）
• 输出：.pcbdoc或.brd文件
  

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4. 生产文件（GERBER）

• 作用：PCB制造的"施工图纸"
• 文件组成：

  文件类型	说明	典型后缀
  顶层铜箔	元件面走线	.GTL
  底层铜箔	焊接面走线	.GBL
  阻焊层	开窗防焊区域	.GTS/.GBS
  丝印层	文字和标识	.GTO
  钻孔文件	孔位坐标和孔径	.DRL

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8.2.3 多层PCB设计的注意事项及布线原则

多层PCB设计需要特别注意以下方面：

1. 层叠设计原则：

   • 信号层与参考平面相邻
   • 关键信号靠近完整参考平面
   • 电源与地平面相邻
   • 采用对称层叠结构减少翘曲

2. 高速信号布线规则：

   • 遵循3W原则(线间距≥3倍线宽)
   • 应用20H原则(电源层缩进≥20倍介质厚度)
   • 长度匹配(±50ps以内)
   • 避免直角走线（这个经常考，禁止90°走线，走线需要设置为135°）
   • 减少过孔数量

3. 电源完整性设计：

   • 构建低阻抗电源分配网络
   • 合理布局去耦电容
   • 优化电源平面分割策略
   • 进行电流密度分析

8.2.4 PCB的可靠性设计（电磁兼容）

PCB电磁兼容设计包含以下关键措施：

1. 布局可靠性：

   • 热敏感器件远离热源
   • 高压与低压电路隔离
   • 模拟与数字分区
   • 连接器ESD防护

2. 布线可靠性：

   • 保证足够的安全间距
   • 避免天线效应
   • 关键信号保护
   • 测试点预留

3. EMC设计措施：

   • 正确使用滤波器
   • 优化屏蔽壳设计
   • 实施合适的接地策略
   • 妥善处理电缆接口
   • 控制缝隙

设计验证方法包括信号完整性仿真、电源完整性仿真、EMC预兼容测试和热仿真分析。

8.3 电子电路测试基础知识

8.3.1 电子电路测试方法

电子电路测试可分为研发阶段测试和生产测试两大类：

研发阶段测试：

1. 功能测试：单元功能验证、接口测试、状态转换测试和边界条件测试
2. 性能测试：信号质量测试(上升时间、过冲等)、时序测试(建立保持时间、时钟抖动等)、功率效率测试和噪声测试
3. 环境测试：温度循环测试、振动测试、湿度测试和盐雾测试

生产测试方法：

• ICT(In-Circuit Test)：在线测试仪检测元器件值及连接
• FCT(Functional Circuit Test)：整板功能测试
• AOI(Automatic Optical Inspection)：自动光学检测
• AXI(Automatic X-ray Inspection)：X射线检测焊接质量

高级测试技术：

• 边界扫描测试(JTAG)：利用边界扫描链测试IC互联
• 飞针测试：无需测试治具的灵活测试方法
• 射频测试：高频信号特性测试
• 功耗分析：动态功耗特性测试

8.3.2 硬件可靠性测试

硬件可靠性测试主要包括：

1. 环境应力筛选(ESS)：

   • 温度循环(-40°C~+85°C)
   • 随机振动(5-500Hz)
   • 通电循环测试
   • 组合环境测试

2. 寿命测试：

   • 高温工作寿命(HTOL)
   • 温度湿度偏压(THB)
   • 温度循环(TC)
   • 功率循环(PC)

3. 失效分析技术：

   • 电学分析：IV曲线追踪、漏电流测试、参数漂移分析
   • 物理分析：X射线检测、声学显微镜、电子显微镜、聚焦离子束(FIB)
   • 化学分析：能谱分析(EDS)、质谱分析、色谱分析

4. 加速寿命测试方法：

   • 阿伦尼乌斯模型(温度加速)
   • 逆幂律模型(电压加速)
   • 艾林模型(温湿度加速)
   • 组合应力模型

5. 可靠性数据分析：

   • 威布尔分析
   • 失效模式统计
   • MTBF计算
   • 浴盆曲线分析

通过系统的电子电路设计、规范的PCB实现和全面的测试验证，可以开发出高性能、高可靠的电子系统。随着技术的发展，设计方法和工具也在不断演进，但基本原理和系统化的设计思路仍然是成功的关键。