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回归PCB设计的本质PCB设计的核心任务之一就是实现不同电源需求的元器件在同一个电源系统下的有效运行这就是所谓的电源管理。电源管理不仅仅是设计电源轨还包括如何协调、稳定并优化不同工作电压、不同功率需求的元器件之间的关系。电源架构设计的目标是确保每个电路模块都能获得稳定、干净的电源同时避免相互干扰从而保证整个系统的高效运行。
目录
一、项目需求
二、TYPE-C 5V输入
1. Type-C接口设计与功能
2. 静电放电ESD保护设计
3. 过流保护设计
4. 电源输入与输出的限流设计
5. 综合保护策略
三、40P排针双调试口5V 5V输入||输出
1. 过压保护
2. 过流保护
3. 防反接保护
四、GH1.25-2P 8-24V输入
1. 四路DCDC降压
2. 测试点
3. LDO低压差线性稳压器与RTC、ADC供电
4. 电源上电时序 通过项目导向性进行学习最切合实际的高速板的绘制和理论结合实践的知识体系构建 一、项目需求
开发板的电源架构重点考虑了三路电源输入提高了灵活性和适应性可以适合多种工作场景和设备环境要做过压过流和防倒灌保护提供全面的保护降低操作失误时造成的损坏排针的5V既支持5V输入也可对外供电可以自动切换的双向供电保证了多输入供电时的自动管理采用了DCDC降压方案可以将8V-24V转换为5V适用广泛的电压输入范围适用于使用3S及以上的锂电池或外部大电压供电的场景。 二、TYPE-C 5V输入 图中上半部分是TYPE-C接口既可以供电也可以数据交互。两个CC脚都接入了5.1K的下拉电阻具体为什么可以去看看TYPE-C规范文档。如果是A口供电的话不焊接这两个5.1K下拉电阻是OK的当用C口供电时没有这两个下拉电阻开发板将不会被供电。开发板有两个USB在开发板上USB0用作DEVICE设备来和CanMV上位机进行交互。USB1用作HOST等待后续接入以太网或者U盘这里的TYPE-C连入了开发板的的USB0。
1. Type-C接口设计与功能 Type-C接口的供电与数据交互 Type-C接口既支持数据传输也支持电源供给。该接口具有双向供电功能因此可以通过同一个接口同时供电和进行数据交换。Type-C接口用于识别连接设备的关键信号线通过向CC脚施加下拉电阻通常为5.1KΩ能够明确供电方向并启用Type-C供电功能。 如果使用A口传统USB-A端口供电通常不需要这两个下拉电阻因为A口供电方向是固定的不涉及设备识别过程。若使用C口供电必须确保这两个5.1KΩ的下拉电阻存在否则开发板将无法识别并启用电源从而无法供电。 USB0与USB1端口的配置 USB0端口设置为DEVICE模式与上位机进行数据交互。它允许开发板作为一个外设通过USB与上位机进行通信。USB1端口设置为HOST模式用于未来扩展例如连接以太网接口或USB存储设备如U盘。Type-C接口连接至开发板的USB0端口作为开发板的供电和数据交互接口。 2. 静电放电ESD保护设计 ESD保护 在USB数据线D和D-上放置ESD保护二极管阵列目的是防止来自外部设备或电源的静电对USB数据线及芯片造成损害。这些二极管在正常工作状态下不导电但当电压急剧上升至超过二极管的击穿电压时二极管会导通将过高的电压迅速引流至地线从而保护电路。 由于ESD事件的持续时间极短通常在纳秒级别这些保护器件能在极短时间内响应并迅速将电流引导至地面避免了高压脉冲对电路的影响。 钳位过压保护 ESD保护器件还内置了一个钳位二极管其作用是防止电压超过设定的安全范围。当电压超过钳位二极管的触发电压时二极管会从高阻态迅速转变为低阻态允许电流流过并将过电压“钳位”在一个安全水平。 例如在USB接口处如果出现过高电压例如USB端口电压超过5V钳位二极管会将电压限制在一定范围内防止高电压损害连接的元器件。 VOUT电源开关输出引脚向负载提供电压。
GND 地引脚连接到电路的地面提供电流回路的闭合。外部连接至Power PAD。
SET 外部电阻引脚用于设置电流限制阈值。
EN 启用输入引脚逻辑高电平时开启电源开关低电平时关闭电源开关。
VIN 输入电压引脚连接电源输入。建议在VIN与GND之间连接一个10uF或更大容量的陶瓷电容尽量靠近IC以保证稳定的输入电压。
3. 过流保护设计
MT9700电子负载开关MT9700是西安航天民芯推出的一款低功耗、低成本电子负载开关具备过热保护、过流保护等功能。MT9700的过流保护可以通过外部电阻如R1来设置电流阈值确保电流不会超过设定范围。 在你的设计中选择了3.4KΩ的电阻来设置电流上限为2A计算公式为 Iset(A)6.8KΩRset(KΩ)I_{set}(A) \frac{6.8KΩ}{R_{set}(KΩ)}Iset(A)Rset(KΩ)6.8KΩ 这样设计的目的是确保在发生过流时负载开关能够迅速切断电路保护K230及其周边电路免受损害。 相关layout也给出来供大家参考。 4. 电源输入与输出的限流设计 输入限流设计 左下角的5V输入限流设计通过MT9700的过流保护功能确保了排针或USB输入处的电流不会超过2A。这对于保护电源和防止过大电流输入到系统中的其他部分尤其是K230芯片非常重要。 设计中使用非门来控制MT9700的使能信号确保只有在电脑USB没有提供电源时排针输入的电源才会供给后续电路。这种设计可以保证USB供电和排针供电的优先级避免出现电源冲突。 输出限流设计 右下角的5V限流输出设计同样使用MT9700进行过流保护。为避免因电流过大造成电路不稳定设计将输出电流限制在1A既满足了K230芯片和周边电路的供电需求又避免了因电流过大导致的热量积聚或设备损坏。 这种限流设计不仅有助于保护主控芯片本身也确保了电路在高负载时仍能保持稳定工作从而避免因电流过载而导致的潜在风险。
5. 综合保护策略
整合保护功能 综合来看电源架构不仅考虑了基本的供电需求还包括了静电保护、过压保护、过流保护等多种保护机制。这些保护设计能够有效防止电源端的高压、静电和过流事件对设备造成损害确保电路系统长期稳定运行。电源管理 通过合理配置和选用适合的保护器件如MT9700、ESD保护二极管、钳位二极管等并设置合理的电流保护和限流策略整个电源管理设计能够有效应对不同的电源输入和负载条件同时确保系统的安全与稳定性。 三、40P排针双调试口5V 5V输入||输出 这里是DCDC降压可以把8-24V输入的电压降为5V给后续电路使使用的DCDC芯片为TPS54302DDCR最高支持28V的输入这里标注最大24V是为了留出余量确保在输入电压波动或瞬时过压的情况下电源系统仍能稳定工作不会因电压过高而损坏。这样的设计提高了电源系统的可靠性和鲁棒性同时也延长了DCDC芯片的使用寿命使用时不要供超过24V。 1. 过压保护 原理 过压保护是通过钳位二极管来实现的。钳位二极管是一种能够在电压超过一定阈值时自动起作用的元件。在正常情况下钳位二极管保持在高阻态即不导电对电路的正常工作没有影响。当电路中的电压超过钳位二极管的设计激活电压时钳位二极管会迅速从高阻态转变为低阻态即导电状态将多余的电压通过二极管引导到地线限制电压上升防止电压过高损坏电路中的其他元件。 工作过程 正常工作时 电源电压在正常范围内钳位二极管不导电电路正常运行。过压情况时 电压超过钳位二极管的激活电压如超过5V或12V等钳位二极管开始导电电流通过二极管流向地线将电压限制到一个安全值如5.6V防止电压继续上升保护后续电路。 钳位电压 钳位二极管的工作原理类似于“电压保护器”它将电压限制在一个安全的水平一旦超过该阈值二极管会导通将电压钳位在安全值范围内。 2. 过流保护 原理 过流保护通常使用自恢复保险丝PTC热敏电阻来检测和控制电流。自恢复保险丝在电流超过额定值时会迅速升温从而改变其电阻值减少流过的电流并阻止过大的电流损坏电路。该保险丝具有自恢复特性当过流条件解除后温度下降电阻恢复到正常值电路可以重新正常工作。 工作过程 正常工作时 电流流过电路和自恢复保险丝保险丝的电阻很低几乎不对电流产生影响电流可以正常流动。过流情况时 当电流超过保险丝的额定电流时电流的增加会导致保险丝内的PTC热敏电阻快速升温。随着温度的升高PTC热敏电阻的电阻会急剧增加从而显著减少流经保险丝的电流。高阻态的保险丝会切断电流流动避免过流现象导致电路损坏。过流解除后 当电流降低到安全范围时PTC热敏电阻温度下降电阻值恢复正常电流可以再次流过电路保险丝“自恢复”。 实验验证 可以通过对自恢复保险丝吹热风枪来模拟过流情况。当PTC热敏电阻升温并达到其过流阈值时保险丝会进入高阻状态切断电流。一旦冷却电阻值降低电流再次通过。 3. 防反接保护 原理 防反接保护用于防止电源接反时对电路的损坏。当电源电压接反时电路中的二极管如D3会导通从而通过自恢复保险丝切断电流流向电路避免过大电流直接流入电路内部保护电路不受损坏。 工作过程 正常接入电源时 电源的正极和负极正确连接电源电压正常供电。此时钳位二极管D3不会导通电流按照设计流向负载电路。电源接反时 当电源接反时二极管D3的接地脚本应为负极变成了电源的正极D3导通。由于电源反接流过电路的电流将通过二极管D3引导到自恢复保险丝从而导致电流过大。此时电流会迅速升高导致自恢复保险丝F1迅速升温并进入高阻态阻断电流流动。自恢复保险丝生效 因为电流大于设定的2A保险丝会迅速升温PTC电阻值增加电流减小切断反接电源对电路的损坏。 电源接反后的保护 由于自恢复保险丝限制了电流电源接反时对电路的损害会被有效避免。待电源接正后保险丝冷却电流恢复正常电路重新供电。
更多参考的案例如下手册也包含可以去看看。 四、GH1.25-2P 8-24V输入 1. 四路DCDC降压
在你的电路中采用了 TLV62569DBVR 降压芯片来将5V的输入电压转化为多个不同的输出电压具体包括 0.8V、1.1V、1.8V 和 3.3V。四路电源的电路结构基本相同但它们的输出电压是通过调整反馈电路的阻值电阻和电感的容值来实现的。
以0.8V降压为例详细解析如下 C13 和 C14这两个电容用于滤除输入电压中的噪声和纹波确保输入电压稳定。这有助于保持 DCDC 降压芯片的稳定工作并减少电压波动。 R12R12电阻将 DCDC 降压芯片的使能脚EN拉高。EN引脚控制降压芯片的启用拉高使芯片进入工作状态。此时5V的输入电源就能使降压芯片输出0.8V。 L2L2是一个一体成型电感Inductor它与 DCDC 芯片共同工作储存和释放能量平滑电流减少纹波。电感有助于调节电流避免输出电压的剧烈波动确保电压稳定输出。 R13 和 R14这两个电阻连接在 DCDC 降压芯片的反馈引脚FB上决定了输出电压的大小。通过调整这两个电阻的值可以改变输出电压。电阻分压比决定了反馈电压从而调节输出电压。具体的调节公式通常会根据芯片的规范书提供。通常输出电压 VoutV_{out}Vout 与反馈电压 VfbV_{fb}Vfb 之间的关系是 通过调整R13和R14的值就能得到所需的输出电压。 相关layout如下参考 2. 测试点
每个电源输出都有一个测试点例如TP9TP10等这些测试点的作用如下
调试时测量电压这些测试点方便工程师在调试过程中实时监测各电源输出电压是否正常。批量测试在生产测试阶段测试点方便自动化测试设备测量各个电压点确保每块开发板正常工作。维护和问题诊断当开发板出现问题时使用万用表或者自动化测试工具可以快速检查各个电源的输出帮助快速定位故障原因。 3. LDO低压差线性稳压器与RTC、ADC供电 U11LDOLDO用来为 RTC实时时钟 和 ADC模数转换器 提供稳定的低电压电源。RTC和ADC通常需要较为稳定的低电压电源以保证其高精度工作。 U12电子功率开关U12是一个功率开关用于控制电源的开关。它的工作与K230芯片的PMU模块电源管理单元相结合。具体来说当 OUT0 输出高电平时 PRE_VDD_5V 电源就能够提供 VDD_5V从而使得整个系统获得供电。PMU模块可以通过检测外部事件比如外部按键的长按来控制电源开关完成系统的上电。 OUT0的控制K230芯片的PMU模块通过 INT 引脚来监测外部事件。当外部按键长按时OUT0 会输出高电平触发后级电源供电。具体来说INT0 管脚用于长按3秒后触发电源开启而 INT4 则用于上拉检测一旦检测到高电平OUT0 输出高电平启动电源。 VDD_5V的上电过程在此电路中VDD_5V 由PMU模块控制通过 OUT0 来供电。供电条件是 VDD1V8_RTC 必须首先提供供电确保RTC和低速晶振正常工作。一旦满足条件K230的PMU模块便会控制 VDD_5V 上电。 4. 电源上电时序
在电路设计中电源的上电顺序是非常重要的特别是对于复杂的集成电路如K230而言。上电顺序的正确性直接影响到系统的稳定性。根据硬件文档要求各个电压轨的上电顺序如下
VDD0P8_CORE 必须在 VDD1P8、VDDIO3P3_0 到 VDDIO3P3_5 的 IO 接口电压上电之前。AVDD0P8_MIPI 必须早于 AVDD1P8_MIPI。AVDD1P8_RTC 必须早于 AVDD1P8_LDO。其余电源电压轨的上电顺序没有严格要求。
0.8V降压芯片的使能脚0.8V的降压芯片没有电容用于使能EN脚一旦5V输入电源到来0.8V芯片就直接输出。而其他三个输出电压1.1V、1.8V、3.3V则需要等待其EN脚的电容充电完成才会开始输出电压。这是为了确保电源在上电时符合电源顺序要求避免同时过早地启用多个电源轨造成不稳定。
延迟上电的目的通过在EN脚加电容使得1.1V、1.8V、3.3V的电源有一个延迟的上电时间从而保证了0.8V电源先行上电符合电源顺序要求。
