5V电源设计:一个历史动机
关键的外卖
为早期逻辑家族搭建舞台。
TTL和采用5V标准。
如何设计一个5V电源，从元器件的选择到计算。
5V电源设计的重点是电压在现代电子产品中的无处不在
即使是普通用户也可能会注意到5V额定值在电子产品上的优势。在主要电压级别之后，它可能是用户可能遇到的最常见的电压，考虑到包含晶体管-晶体管逻辑(TTL) ic的设备的市场饱和，它可以被认为是一个国际电压标准。虽然5V在很长一段时间内被采用并被奉为神明，但情况并非总是如此;直到TTL的引入，非官方的标准才开始流行起来。
除非在极高或极低的电压水平下开发pcb，否则工程师和设计人员几乎肯定会遇到部分(有时完全)由5V组成的配电网络。因此，无论是从数字化的进步还是主动布局的角度，5V电源设计都是理解的关键资源。
数字时代的逻辑家族
随着电子工业从模拟元件开始艰难地转换，电阻-晶体管逻辑(RTL)代表了进入新范式的第一步。顾名思义，RTL利用输入端的一个电阻和一个双极结晶体管(BJT)作为开关机构。由于集成电路的发展才刚刚开始成型，RTL尽量减少单个晶体管的使用，这可能是显著的成本增加，同时为集成电路打下基础门电路级逻辑带有单输入和多输入NOR门(两个通用逻辑门之一)。然而，bjt将提供较差的开关速度和高电流需求(因此高散热需求)，这将使其相关性短暂。
数字电子学谱系中的下一个将是二极管-晶体管逻辑(DTL)。作为分立元件，DTL由两条间隔为12V的导轨供电(NPN为6V和-6V, PNP为0V和-12V)，但对于集成电路，这被简化为单轨。与RTL类似，DTL可用于构建通用的NAND门，用于门级逻辑设计，与之前的RTL格式相比，DTL具有许多优点。此外，DTL通常比RTL在I/O上具有更强的接口能力。然而，困难仍然存在:由于晶体管基极上的电荷积聚必须消散，开关动作仍然缓慢地从两个输入高状态恢复。值得注意的是，DTL将是与肖特基二极管组合形成肖特基晶体管的基本情况:肖特基二极管通过最小化集电极-基极结上的偏置来防止基极饱和，后来将更广泛地应用于其他逻辑家族ic。
TTL介绍5V标准
RTL和DTL代表了重要的数字里程碑，晶体管-晶体管逻辑(TTL)是业界一直在朝着的突破。不像早期的逻辑家族将晶体管仅仅降级为放大，TTL使用晶体管作为输入逻辑元件;与其他设计考虑因素一起，这导致了显著的改进:
〇更快的交换速度输入晶体管和放大晶体管连接在前者的集电极和后者的基极之间。在逻辑高输出时，输入晶体管同时正向有源，并在放大晶体管的基极上传导累积电荷。这可以防止RTL和DTL切换周期的饱和状态。
〇低功耗两个输入引脚只需要一个小的，恒定的电流，以保持输入晶体管反向运行，以实现逻辑低输出。
模块化,在放大晶体管上排除集电极电阻产生开路集电极输出，这允许设计人员用一个上拉电阻连接许多晶体管，以创建自定义逻辑电路，其中一个低TTL门将组合输出拉低。另一种变体是图腾柱，它利用推挽放大器来降低输出端的电阻，以降低工作电压范围为代价提高IC的扇出能力。
由于这些原因和更多的原因，TTL技术迅速成为电子时代的驱动力，果然，它的电源电压建立在5V。该值的确切选择可能取决于一系列因素，但就逻辑而言，它代表高逻辑电平输出的最大输出电压。即使像CMOS这样的新技术在性能上有效地取代了TTL, TTL的廉价和可靠的性质使其继续用作不匹配的IC逻辑家族之间的接口，进一步将5V视为不可替代的电源轨道。
5V从头到尾电源设计
即使在今天的电子产品中，5V导轨的重要性也是显而易见的;因此，设计人员需要能够在必要时将其提供给电力网络。假设主电源为电源，5V电源设计需要执行四个顺序步骤:
变换降低电压使其接近5V的目标。
纠正将信号从交流转换为直流，去掉正弦波的负瓣。
过滤器减少波纹对输出功率的影响。
调节产量在一个一致的电压水平。
这四个步骤通常可以通过几个组件来完成:变压器、二极管网络、电容网络和稳压器IC。从这里开始，设计将从末端开始，因为它们代表了整个系统的I/O。应选择稳压器以产生所需的电压水平，但输入范围自然会限制在输入之前出现组件的可能性。此外，工作电流可能是一个因素，取决于输出负载预期的大小或剧烈程度。就像输出电压一样，电流额定值也将受到稳压器参数的限制。
现在，转回变压器。电流应该匹配的调节器，因为它不可能通过超过什么可在输出。此外，预期工作电流应远低于当前额定值。然而，电压需要考虑整个二极管的下降，通常为0.6V每个二极管。变压器的输出电压必须满足调节器的最小输入范围加上任何二极管损耗，设计人员可能希望通过稍微增加变压器的输出电压(在合理和可行的范围内)来留下一点喘息的空间。
最后，需要选择电容值，以便在提供必要的电容的同时，对调节器的输入和输出电压进行适当的额定。设计可以在稳压器输出处设定最大纹波因子的目标，这代表了AC到DC转换中的低效率并降低了输出电压。有了这个值，就可以用滤波器方程计算电容。
插入一些选定和计算的值，得到滤波的目标电容。
需要注意的是，这个计算值不太可能与常用值相匹配;工程师应该选择最接近的值近似值。
Cadence提供了丰富的工具来简化电源设计
5V电源的设计已经有所增长，尽管技术在进步，与更节能的设备相关的电压也在降低，但工程师们应该对自己设计功能强大的电源的能力充满信心。幸运的是，细节可以留给计算机:Cadence的PCB设计和分析软件Suite拥有从仿真到制造商信息的所有支持工具，以协助工程师优化电源解决方案。除了快速和强大OrCAD PCB Designer布局环境，开发团队可以更快速地从概念板转移到物理板。
领先的电子产品供应商依靠Cadence产品来优化各种市场应用的电源、空间和能源需求。要了解更多我们的创新解决方案，和我们的专家团队谈谈吧或请订阅我们的YouTube频道。