华为硬件工程师(电源)的面试该怎么准备?

浏览量:364
时间: 2023-11-27 11:02:57

作者:电子硬件攻城狮
链接:https://www.zhihu.com/question/379341025/answer/2367344052
来源:知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

0.前言

DC-DC电源知识是硬件工程师笔试面试中必考内容,本文详细讲解DC-DC的基本拓扑结构

BUCK电源。本文适用于应届毕业生求职,可以应对一些常见的相对简单层面的面试笔试题。

以下问题都是硬件工程师笔试面试高频问题:

  • BUCK电源电路的基本结构是什么?[要求会画BUCK电路图]

  • BUCK电源的原理是什么?[要求懂得其降压原理]

  • 电源纹波产生的根本原因是什么?[要求掌握DC-DC电源的电源纹波本来源]

  • 抑制电源纹波的几种常用方法有哪些?[要求了解电源纹波的抑制方法]

  • 电源纹波的测量方法和注意事项有哪些?[要求会测量电源纹波]

  • DC-DC电路的PCB布局布线注意事项有哪些?[要求了解DC-DC电路的PCB布局]

  • DC-DC与LDO各自的优缺点及应用场合是什么?[会根据实际选型DC-DC与LDO]

1.DC-DC之BUCK电源

DC-DC电源,即直流-直流变换器是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,也称为直流斩波器

DC-DC有多种拓扑结构,如BUCK(降压)、BOOST(升压)、BUCK-BOOST(升降压)三大基本拓扑结构。其中BUCK电源即降压电源实现降压输出,BUCK电源电路基本结构如下图所示:



BUCK电源电路基本结构

1.1 BUCK电源关键器件及其作用

关键器件有开关管S、电感L、电容C二极管D。

  • 开关管S:可以导通和关断电流,常见的开关管有三极管、MOSFET等。

  • 电感L:可以将电能转换成磁能储存起来,也能将磁能转换为电能再次释放。需要注意:电感在储能和释能转换时,电感的正负极会发生反向。流经电感的电流不能突变,只能逐步变大或变小。

  • 电容C:具有充放电功能,电容器两端电压高于外部电路电压时放电,反之充电。电容充放电不会发生正负极的反向。

  • 二极管D:具有单向导电性电流只能单向流过。在BUCK电路,二极管D形成了续流回路,因此D也叫作续流二极管

1.2 BUCK电源工作原理

一般通过PWM波“定频调宽”或PFM波定宽调频”两种方式来控制开关管的导通与关断。常用PWM波控制,本文所述为PWM控制开关管的通断。

PWM波可用单片机生,也可以使用PWM波专用芯片,如UC3842。



开关管S导通时电流回路

当PWM波控制开关管S导通时,图中红色回路为开关管导通时的回路。此时有下式成立:




电流开始从左边的电源Vin正极流出,流向负极。电流流经续流二极管D的负极不能通过,继续前进流经电感L,电感L将电能转换为磁能储存,电流继续前进流经电容C,电容C充电,电流继续流过负载R,回到电源Vin负极,整个电路通畅,输出端负载正常工作。

此时电感L的工作状态:此周期电感是左正右负,由于流过电感L的电流不能突变,所以负载R的电压是逐步增大的。



开关管S关断时电流回路

当PWM波控制开关管

关断时,图中红色回路为开关管关断时的回路。此时有下式成立:




当开关管S关断,电源Vin不再供电,电感L储存的磁能转换为电能释放,此时电感L的正负极反向(变成左负右正),电感L变成了电路里的电源。由于电流永远是从正极流向负极,所以形成了图中所示红色回路。此时续流二极管D正向导通,电感L释放的电流会逐步由大变小。

电容C的作用:当开关管S关断,电感L不能及时给负载R供电,此时电容C立马放电给负载R供电,电容C可以起到有效抑制电源纹波的作用。



斩波实现降压公式推导

从上式推导中可知 out=DVinV_{out}=DV_{in} ,其中D为PWM波的占空比,占空比D的取值在0~1之间 ,因此实现了降压,这就是斩波实现降压的原理,可以通过改变PWM波的占空比D来控制降压的大小,如占空比为50%,则 Vout=0.5Vin" role="presentation">Vout=0.5VinV_{out}=0.5V_{in} ,即实现了输出比输入小一半,也就是降压了一半。

1.3 DC-DC的PCB设计布局布线注意事项

  • DC-DC的功率管脚应大面积铺铜皮较少电源的温升

  • 根据载流原则处理好输入输出主回路(注意铺铜的通流能力和过孔的数量)

  • 反馈线不能绕着电感L走

  • 开关电源片及其电感下面尽量不要布其他信号线

  • 二极管流回路尽可能短

  • DC-DC芯片的散热焊盘上需打矩阵过孔作进一步散热处理

  • 布局要紧凑,输入输出主干道采用“一”字型获“L”型布局方式

  • 关键滤波电容放置要合理,采用先大后小的布局原则

  • 输出供电电源从输出电容取电

  • 对于多路输出的开关电源尽量使相邻的电感垂直分布(麦克斯韦定律磁场相互垂直可抵消干扰)

1.4 DC-DC与LDO的优缺点及选型

  • DC-DC优点:效率高,输入电压范围较宽,驱动力较强。

  • DC-DC缺点:负载响应比LDO差,输出纹波比LDO大。

  • LDO优点:负载响应快,稳定性好,输出纹波小。

  • LDO缺点:效率低,输入输出的电压差不能太大,驱动能力较小,负载不能太大。

在实际使用中,应综合考量上述优缺点来进行器件选型。

1.5 同等条件下DC-DC和LDO谁的体积更大?根本原因是什么?

同等条件下,LDO的体积更大。由于LDO的转换率更低,耗散功率更大,所以发热量更大,因此在设计时会考虑散热问题,所以其体积在其他条件相同时会相对DC-DC要大一些。

2.电源纹波产生的根本原因

随着开关管S的开关,电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与开关管S开关频率同频率的纹波,一般所说的纹波就是指这个,它与输出电容的容量和ESR有关系,纹波频率一般为几十到几百kHz。

简单来说,一般所认为的纹波产生的最根本原因就是由于开关管S的通断过程导致电源产生波动,其频率等于开关管S的开关频率。

3.电源纹波的测试方法

  • 示波器头档位选定:一般选定X1档;

  • 示波器通道耦合方式设置:电源纹波是交流信号,因此设置AC耦合方式;

  • 示波器带宽制设置:一般设置为20MHz,滤除电源的高频噪声成分,测量得到的纹波更加精准。

  • 接地方式:需要就近接地,这样纹波测量才会更加精准,并且需要把接地夹换成接地环。

  • 示波器其他设置:适当调整水平时基、垂直档位、和垂直偏移,让纹波合适的显示在示波器的中间位置。

  • 测量纹波:可以使用示波器的Measure功能自动测量纹波峰峰值和频率。也可使用垂直光标手动测量纹波峰峰值和频率。

4.电源纹波的常见抑制方法

  • 提高开关管的开关频率。开关频率越高,纹波越小。

  • 加大电感和输出电容滤波。根据开关电源的公式,电感内电流波动大小和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。通常的做法,对于输出电容,使用铝电解电容达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好,而且ESR也比较大,所以会在它旁边并联一个陶瓷电容来弥补铝电解电容的不足。

  • 二级滤波(即再加一级LC滤波器。LC滤波器对纹波的抑制作用比较明显,根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成LC滤波电路一般能够很好的减小纹波。

电源纹波的抑制方法很多,但每种方法都有它自身的优缺点,所以在设计时需要综合考量。

5.结语及拓展

特别是应届毕业生求职时,硬件岗大概率(99%)会考核DC-DC相关知识,本期给大家分享的只是DC-DC三大基本拓扑结构中的BUCK(降压)电源,关于BUCK电源,应届毕业生求职掌握本文内容就足够了。

此外DC-DC还有BOOST电源(升压)和BUCK-BOOST电源(升降压)两大拓扑结构。

本文暂且先把BOOST电源(升压)和BUCK-BOOST电源(升降压)两大拓扑结构的基本电路及原理公式给大家放在下方,供大家举一反三,学以致用。

拓展1:BOOST电源

BOOST电源电路基本结构和原理公式如下:



BOOST电源电路基本结构

BOOST(升压)原理公式



拓展2:BUCK-BOOST电源

BUCK-BOOST电源电路基本结构和原理公式如下:



BUCK-BOOST(升降压)电源电路基本结构

BUCK-BOOST(升降压)原理公式

声明:本网站所收集的部分公开资料来源于互联网,转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。仅供学习交流使用,不构成商业目的。版权归原作者所有,如果您发现网站上有侵犯您的知识产权的作品,请与我们取得联系,我们会及时删除。侵权投诉
相关推荐HOT