西門子6EP1961-2BA00

新型小巧的LOGO！電源占用空間更小，功能更強大：在各種負載條件下均能保持高效率，空轉時的功率損失可以減半。寬范圍輸入可實現在交直流電壓下的運行，*的負載沖擊電流適應性，且工作溫度范圍可達到 +70 °C。模塊化的微型設計，使該電源具有高度的靈活性，節省了用戶的設計空間。由于其短小，階形外形可廣泛應用于安裝配電箱中。

對硬件工程師而言，電源是不可避免的，甚至是整個板子最重要的模塊。不同的PCB，各種各樣五花八門的電源模塊，做過的見過的也不少，但總的歸類來講，一般的DCDC電源轉換模塊也就不外乎開關電源模塊和線性電源模塊兩種，其他的變化總是萬變不離其宗。

　　后面幾篇文章就主要介紹一下這兩種電源模塊的原理和layout注意事項。至于AC-DC轉換，或者其他相對偏門的POE電源，都不在本次的規劃之內了。

　　開關電源簡介

　　首先介紹的是開關電源。說到開關電源就不能不提到兩個單詞buck和boost。感覺不管什么詞，只要變成英文就顯得特別高大上，其實這個對應的就是降壓開關電路和升壓開關電路。再用更接地氣的說法來講，就是串聯開關電路和并聯開關電路。一下子就把層次拉到熟悉的初中物理知識了，簡化電路如下圖所示：

　　開關電源顧名思義就是通過控制晶體管的導通截止來轉換電壓，由于部分時間工作在截止狀態，功耗比較小，發熱也比較小。所以相較與線性電源模塊而言，效率比較高，發熱也沒有那么厲害。

　　開關電源的工作原理其實比較簡單：當晶體管基極為高電平時，晶體管飽和導通，等效電路如圖3所示，此時電感L儲存能量，電容C充電。當晶體管基極為低電平時，晶體管截止，等效電路如圖4所示，此時電感L釋放能量，電容C放電。通常我們的PCB板上還有采樣電路，反饋電路，以此來調節基極控制電壓的占空比，來達到穩壓的目的。同時，由于負載和晶體管串聯，輸出電壓小于輸入電壓，所以又叫降壓開關電路（buck開關電路）。對應的并聯開關電路原理相似，同時由于晶體管并聯，電感產生的感應電動勢與電壓相疊加后作用于負載，所以輸出電壓會高于輸入電壓。

　　實際的開關電源電路圖一般如下圖所示：一般開關電路在PCB中主要包涵輸入濾波，開關電路，控制電路，輸出濾波四個主要部分，其中紅色框是主電流通道，包含輸入濾波，開關電路，輸出濾波三個重要的部分，其余部分為控制電路，其中需要重點關注的部分為采樣電路和反饋電路。

　　濾波電路對于開關電源是很重要的，因為模塊本身電源轉換時通過晶體管的開關來控制的，那么開關的過程中就會產生尖峰脈沖干擾。輸入濾波一般應該包括大容值電容和小容值電容，小容值電容靠近晶體管放置，能給晶體管內部高頻電流提供到地的回路。大容值的電容則能給晶體管輸入平穩的直流穩壓電源。而輸出部分的大容值電容則是用于給負載提供平穩的直流電源。在負載電阻發生變化時，由于開關電路需要通過采樣、反饋，調節占空比的方式來調整輸出電壓，不能隨時調整，所以需要一個大容值電容充放電來緩沖

按照Profibus的規范，當網絡中的硬件設備超過32個，或者波特率對應的網絡通訊距離已經超出規定范圍時，就應該使用Profibus RS485中繼器來拓展網絡連接。中繼器設備使用起來比較簡單，這里僅就使用過程中容易出現問題的地方進行介紹。

1  RS485中繼器的介紹

首先還是介紹一下RS485中繼器的面板：

圖1    RS485中繼器

其中：

1)     RS485中繼器的電源端子。其中“M5.2"是信號線“A、B"的 “信號地"；

2)     網段1和網段2的電纜屏蔽層接地；

3)     網段1的信號線端子；

4)     網段1的終端電阻設置；

5)     網絡開關，用于接通和斷開網段1、2；

6)     網段2的終端電阻設置；

7)     網段2的信號線端子；

8)     背板安裝；

9)     用于PG/OP連接到網段1的接口；

10)   LED 24V 電源指示燈；

11)   網段1的工作指示LED；

12)   網段2的工作指示LED；

2      RS485中繼器的功能

2.1 網段的劃分

RS485中繼器上下分為兩個網段，其中A1/B1 和 A1’ / B1 ‘ 是網段1的一個Profibus接口，A2/B2 和 A2’ / B2 ‘ 是網段2的一個Profibus接口，PG/OP 接口屬于網段1；信號再生是在網段1和網段2之間實現的，同一網段內信號不能再生；兩個網段之間是物理隔離的，因而RS485中繼器除了擴展網段外，還有一個作用就是可以進行網絡隔離。

2.2 網絡拓撲

A1/B1 和 A1’ / B1 ‘其實是一個Profibus接口的進口/出口的接線端子，就像Profibus接頭的進口/出口一樣，因而也涉及到終端電阻的設置問題，這也往往是在使用過程中容易出現錯誤的地方，這里做個詳細的說明：

1） 中繼器做為終端設備的網絡拓展

圖2  中繼器的網絡擴展連接

在這個網絡拓撲中，中繼器連接了網段1和網段2，由于中繼器內部是隔離的，因而做為網段1來講，中繼器就是該網段的一個終端設備，因而在網段1中，應該將Profibus網線接在A1/B1上，同時網段1的終端電阻設置為“On"；而網段2與網段1類似，也需要將電纜連接在A2/B2上，同時終端電阻設置為“On"。

 西門子網絡部件12M PROFIBUS中繼器

由于在一個RS485物理網段中，只能夠連接32個物理設備，但RS485 中繼器本身也是一個特殊的DP從站設備，在網段1和網段2中，都分別占用一個物理位置（但不用分配站號），因而實際在這兩個網段中都只能再連接31個DP主站/從站設備。

這些都是物理連接上的限制，在STEP7組態中，網段1和網段2都屬于同一個邏輯網絡。整個網絡上從站的連接個數取決于DP主站的連接個數（包括RS485中繼器、OLM等設備）。

中繼器擴展的距離，假設1.5M bps的波特率時，通訊距離為200米，則網段1從遠站到中繼器網段1之間的距離為200米，而從中繼器的網段2到遠站還可以再擴展200米，這樣整個網絡的距離為400米。

2）  中繼器的一個網段做為中間設備的網絡拓展

圖3  中繼器的一個網段做為中間設備的網絡拓展

該網絡拓撲中，網段1仍然時正常的連接，但網段2不是網絡終端設備了，而是網絡中間的一個設備，此時終端電阻應當設置在“Off"，而網段2上的兩個終端設備應分別設置終端電阻。

在這種網絡拓撲中，網段1的連接方式和距離和上一種方式相同，但網段2的擴展距離是從網段2的左、右兩個終端站點之間的距離（1.5M bps時200米）。

3）  中繼器在的兩個網段內都做為中間設備的網絡拓展

圖4  中繼器在的兩個網段內都做為中間設備的網絡拓展

此時，網段1和網段2都按照上一種拓撲中網段2的方式進行連接和拓展。即終端電阻為“Off"，網段1的總長度為200米（1.5M bps），網段2的總長度也為200米（1.5M bps）。兩個網段之間是電氣隔離的。

當網絡中的終端站出現斷電情況時，終端電阻也因無法得到電源而丟失（其實是電阻值發生變化），這將導致信號中斷或者出現亂碼，從而影響到另外一個網段甚至整個網絡的通訊質量，因而建議可以將兩個網段斷開，這樣可以避免網段之間的相互干擾。

3  中繼器的隔離接地

由于網段之間是隔離的，因而如果 斷開PE端時，可以將兩個網段分別按照接地和不接地的兩個網段進行連接操作。