產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)過(guò)程：系統(tǒng)級(jí)電源框圖設(shè)計(jì)、產(chǎn)品功能框圖設(shè)計(jì)、各電源電壓的功耗估算、電源框圖設(shè)計(jì)、處理器電源上電時(shí)序設(shè)計(jì)。
產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)過(guò)程
系統(tǒng)級(jí)電源框圖設(shè)計(jì)
系統(tǒng)級(jí)的電源設(shè)計(jì)，主要從整個(gè)系統(tǒng)的功能、產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合、開(kāi)發(fā)周期、性價(jià)比等整體出發(fā)，綜合評(píng)估系統(tǒng)前級(jí)、板內(nèi)功能模塊、對(duì)外供電接口、通訊接口、數(shù)據(jù)采集接口等對(duì)電源的需求及相應(yīng)需達(dá)到的防護(hù)等級(jí)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，市場(chǎng)機(jī)會(huì)稍縱即逝，往往留給產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期都很短，從產(chǎn)品的可靠性出發(fā)，系統(tǒng)級(jí)的電源設(shè)計(jì)，通常都盡量采用成熟的模塊化電源來(lái)設(shè)計(jì)，降低風(fēng)險(xiǎn)，使產(chǎn)品盡早面世，占領(lǐng)市場(chǎng)。
圖6.4 工控系統(tǒng)應(yīng)用框圖 以如圖6.10所示的工控系統(tǒng)應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明，系統(tǒng)較為復(fù)雜，包括了多種信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、CAN、RS-485等現(xiàn)場(chǎng)總線、板內(nèi)要求雙電源供電的運(yùn)放、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種功能。每個(gè)功能模塊，對(duì)電源的要求都有所不同，且整個(gè)系統(tǒng)對(duì)EMS的要求達(dá)到工業(yè)四級(jí)。
產(chǎn)品功能框圖設(shè)計(jì)
以一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的數(shù)據(jù)集中器為例，該系統(tǒng)使用M283郵票孔核心板，系統(tǒng)采用12V~24V供電，需要隔離的RS485，隔離CAN總線通信，畫(huà)出系統(tǒng)框圖，如圖6.2所示。
圖6.5 數(shù)據(jù)集中器系統(tǒng)框圖6.5.3
各電源電壓的功耗估算
客戶需求和功能框圖確定以后。按照?qǐng)D6.2將對(duì)各器件的供電分類(lèi)，計(jì)算出各電壓的電流。
表6.1 電源電流計(jì)算表模板
以表6.1為模板，列出系統(tǒng)中用到幾種電壓，作為列標(biāo)題。將耗電模塊作為行標(biāo)題，將系統(tǒng)中不耗電的部分去除，例如DB9插座，RJ45插座，JTAG接口等連接器。使用Excel表格建立如表6.2所示的表格，以方便電流的計(jì)算和排序。
以集中器的設(shè)計(jì)為例，各模塊的電流消耗主要以查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn)，同時(shí)加以估算的手段進(jìn)行填表。在繪制PCB時(shí)，PCB設(shè)計(jì)人員就可以根據(jù)模塊消耗的電流，對(duì)大功率的模塊進(jìn)行特別關(guān)注。
表6.2 電源電流計(jì)算表
1. 核心板消耗電流的估算
查詢《MiniARM M28A 數(shù)據(jù)手冊(cè)V1.05.pdf》第“3.1 電源靜態(tài)參數(shù)”章節(jié)，i.MX283核心板可以使用5V或4.2V兩種方式供電。廠商建議采用4.2V供電，供電電流典型值為100mA，將100mA填入到表6.2中。手冊(cè)并未給出最小值和最大值，因此需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)填寫(xiě)最大值，可不填寫(xiě)最小值。 注意：核心板電源消耗較為復(fù)雜，模塊消耗電流最大值以典型值的5倍左右計(jì)算。
2. 液晶屏消耗電流的估算
M283-128LI核心板的LCD接口設(shè)計(jì)可以外接4.3寸、7寸、8寸等多種尺寸的TFT模塊。因此在計(jì)算LCD接口的電流時(shí)要考慮多種屏的兼容性。
對(duì)比《LCD_TM070RDH12_24B數(shù)據(jù)手冊(cè) V1.01.pdf》和《TFT-4.3A 數(shù)據(jù)手冊(cè) V1.00.pdf》對(duì)于5V的電流消耗，4.3寸液晶屏的典型值為30mA，最大值為100mA；7寸液晶屏的典型值為580mA，沒(méi)有給出最大值。因此在LCD接口一行對(duì)應(yīng)5V一列，填寫(xiě)典型值為580mA。
液晶屏對(duì)電源的消耗主要用在背光上面，最大電流值的估算以經(jīng)驗(yàn)估算為典型值的1.5倍~2倍。集中器主板的LCD接口不僅提供了5V電源，同時(shí)也提供了3.3V的電源，查看《TM070RDH12》的手冊(cè)“4.1 Recommended Operating Condition”章節(jié)給出了Ivcc的最大值為10mA，并未給出典型值。因此在LCD接口一行對(duì)應(yīng)3.3V一列，填寫(xiě)最大值為10mA。
3. 按鍵消耗電流的估算
集中器主板采用普通的按鍵，作為無(wú)源器件，按鍵本身可以通過(guò)很大的電流，為了確保不燒壞CPU的IO口，必須對(duì)按鍵進(jìn)行電流限制。以IO的電壓值為0~3.3V，按鍵的上拉電阻選值10K，因此按鍵本身消耗的電流僅0.3mA左右。按鍵數(shù)量為3個(gè)，因此在按鍵一行對(duì)應(yīng)3.3V一列，填寫(xiě)典型值為1mA。
4. GPIO消耗電流的估算
集中器主板為用戶預(yù)留40個(gè)GPIO。對(duì)于ARM7內(nèi)核以上的處理器，IO口的灌電流和拉電流能力通常不超過(guò)4mA。在設(shè)計(jì)IO口驅(qū)動(dòng)的電流時(shí)，用戶亦需要將電流限制在2mA以下。在GPIO一行對(duì)應(yīng)3.3V一列，填寫(xiě)典型值為80mA，最大值為160mA。
5. 蜂鳴器消耗電流的估算
工作在3V~5V的蜂鳴器，不同功率的蜂鳴器消耗電流是10mA~80mA ，集中器主板采用AX-1203-LF，查詢蜂鳴器廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)，在蜂鳴器一行對(duì)應(yīng)3.3V一列，填寫(xiě)典型值為15mA，最大值為45mA。
6. USB HOST消耗電流的估算
USB HOST接口為插入的U盤(pán)，鼠標(biāo)等提供電流。U盤(pán)、鼠標(biāo)等設(shè)備消耗電流在200mA左右，根據(jù)USB2.0的規(guī)范，USB HOST接口提供最大電流不超過(guò)500mA。在USB HOST一行對(duì)應(yīng)5.0V一列，填寫(xiě)典型值為200mA，最大值為500mA。
7. USB OTG消耗電流的估算
USB OTG接口既可以作為Device設(shè)備，又可以作為USB HOST設(shè)備，在USB OTG一行對(duì)應(yīng)5.0V一列，填寫(xiě)典型值為200mA，最大值為500mA。
8. SP3232消耗電流的估算
SP3232作為T(mén)TL和RS232電平轉(zhuǎn)換器，采用3.3V供電。查看SP3232的數(shù)據(jù)手冊(cè)，僅給出了極限工作電流±100mA，正常工作不帶負(fù)載時(shí)最大電流為1mA，輸出短路電流最大值為±60mA和±100mA， SP3232的電流估算會(huì)不非常準(zhǔn)。在SP3232一行對(duì)應(yīng)3.3V一列，填寫(xiě)典型值為1mA，最大值為100mA。
9. DP83848消耗電流的估算
DP83848作為PHY芯片連接CPU和RJ45插座。對(duì)以太網(wǎng)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。查看DP83848的數(shù)據(jù)手冊(cè)，100M全雙工模式下的典型電流為81mA，10M全雙工模式下的典型電流為92mA。最大工作電流按照1.5倍計(jì)算為138mA。在DP83848一行對(duì)應(yīng)3.3V一列，填寫(xiě)典型值為92mA，最大值為138mA。
10. TF卡消耗電流的估算
TF卡接口是標(biāo)準(zhǔn)的SDIO接口，查詢SD-Memory Card Specifications TF卡最大消耗電流100mA，典型工作電流為55mA。
11. RSM3485消耗電流的估算
RSM3485隔離485收發(fā)器是致遠(yuǎn)電子設(shè)計(jì)的小體積、高性能的隔離收發(fā)器，可以完美取代傳統(tǒng)的分立隔離方案。查詢RSM3485的datasheet。靜態(tài)電流小于40mA，發(fā)送電流小于100mA。
12. CTM8251消耗電流的估算
CTM8251隔離CAN收發(fā)器是致遠(yuǎn)電子設(shè)計(jì)的小體積、高性能的隔離收發(fā)器。查詢CTM8251的datasheet。靜態(tài)電流小于30mA，發(fā)送電流小于55mA。
注意：表6.2的右下角有一組數(shù)字“1352”，“2979”為折算為5V后的電流累加，整板的典型電流估算值為1.35A，最大電流為2.9A。6.5.4
電源框圖設(shè)計(jì)
集中器主板電源框圖設(shè)計(jì)是將圖6.1和表6.2整合在一起，這樣能夠清晰表達(dá)整板電源分布的圖。是PCB電源布線的抽象設(shè)計(jì)。
圖6.6 電源框圖設(shè)計(jì)6.5.5
處理器電源上電時(shí)序設(shè)計(jì)
由于處理器速度越來(lái)越快、功耗要求越來(lái)越低，不同的外設(shè)需要不同的電源域進(jìn)行管理，因此常見(jiàn)的電源域有3.3V，1.8V，1.5V，1.2V，1.1V，0.9V。由于i.MX28x系列處理器內(nèi)部集成了上電時(shí)序控制，因此不需要用戶再設(shè)計(jì)電源時(shí)序。為了方便介紹，引用某半導(dǎo)體的一個(gè)Cortex-A8處理器的上電時(shí)序作為介紹上電時(shí)序的對(duì)象，如圖6.5所示。
圖6.7 一個(gè)處理器的上電時(shí)序
多電源處理器域出現(xiàn)的時(shí)候，由于缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不少工程師設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品要么不工作、要么工作不穩(wěn)定。IC廠家看到了這種現(xiàn)象，推出了相應(yīng)的電源時(shí)序管理IC，典型的就有ADI公司，但是這些時(shí)序控制IC提供的功能有限，與此同時(shí)還誕生了一些IC公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了電源管理芯片PMU。后來(lái)處理器廠商在推廣處理器時(shí)，配套提供相對(duì)應(yīng)的PMU， 推廣CPU+PMU方案了。CPU+PMU的方案不僅解決了硬件工程師頭痛的問(wèn)題，而且有效地降低了系統(tǒng)的體積和功耗。
原廠配套的PMU一般價(jià)格比較貴，而且PMU的主要作用是動(dòng)態(tài)功耗調(diào)整，上電時(shí)序只是一個(gè)小的功能。在一些并不需要?jiǎng)討B(tài)功耗控制的應(yīng)用，可以采用低成本分立元件搭建的RC延時(shí)電路 + DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法亦可以實(shí)現(xiàn)電源時(shí)序的控制。
根據(jù)圖6.5將不同電壓的電源、使能信號(hào)轉(zhuǎn)換為如圖6.6所示的上電時(shí)序，可以更加直觀地從電壓等級(jí)以及時(shí)間上看出時(shí)序的要求。
圖6.8 轉(zhuǎn)換后的上電時(shí)序
典型的RC延時(shí)電路，如圖6.7所示。
圖6.9 隨供電電源延時(shí)圖
6.10 隨使能信號(hào)和電源信號(hào)信號(hào)延時(shí)
RC延時(shí)電路采用了電容充放電的原理,電容端電壓Vc初始時(shí)刻為0V，DC-DC使能端電壓要大于0.7V。根據(jù)電容充電公式
圖6.7中的上電延時(shí)時(shí)間為0.7ms。假定延時(shí)時(shí)間t，電容C，使能電壓 ，計(jì)算R的值為：
。若延時(shí)要求為10us，使能電壓為0.7V，電容選用0.01uF，計(jì)算出R值為6.6KΩ，選擇6.8KΩ即可。
注意：一些廠商的ARM核心板要求底板的電源延遲上電，具體參照廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)。
