ELF 1技術(shù)貼|開發(fā)板底板電源電路講解

ELF 1開發(fā)板由核心板和底板組成，底板集成CAN、Wi-Fi&BT、Ethernet、音頻、USB.Camera、LCD顯示、溫濕度傳感器、UART等功能外設(shè)，核心板是核心組件，集成了主控處理器、運(yùn)行內(nèi)存、存儲(chǔ)、電源管理芯片等，可以最大化的引出處理器的資源。確保核心板能夠正常啟動(dòng)，首要條件就是底板配備一個(gè)合適、穩(wěn)定且可靠的電源。

除此之外，底板上的器件以及連接的外圍設(shè)備（例如：U盤，攝像頭等）也需要提供電力支持。底板上的器件種類較多，所需要的供電電壓也不同，常用的供電電壓有：5V、3.3V、1.8V等，在我們的最小系統(tǒng)板上主要用到了5V和3.3V電源供電，外部電源的接入方式是使用USB-Type-C接口進(jìn)行供電，電源電壓為5V，但在底板上部分電路為3.3V供電，所以我們要對(duì)5V電源進(jìn)行降壓處理，從而得到3.3V電源即可為相關(guān)電路供電。

選擇合適的電源類型：

在嵌入式領(lǐng)域常用的電壓變換方式一般有LDO和DC/DC兩種方式。我們所說的LDO(low dropout regulator)是“低壓差線性穩(wěn)壓器”的簡(jiǎn)稱，低壓差是指輸入電壓和輸出電壓之間的壓差較低。在LDO內(nèi)部通過Pmos、誤差放大器、電壓基準(zhǔn)源、保護(hù)電路等結(jié)構(gòu)組成實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓功能。LDO的特點(diǎn)為效率低，但紋波小成本低。

DC/DC是直流-直流電壓變換器，用于電源電路中的電壓變換。DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作原理是通過開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作，周期性地將輸入電能傳輸?shù)侥芰看鎯?chǔ)元件中，然后再從能量存儲(chǔ)元件中釋放輸出電能。通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通和截止時(shí)間，可以控制直流電能在能量存儲(chǔ)元件中的流動(dòng)和輸出電壓的大小。在嵌入式領(lǐng)域DC/DC通常包括buck（降壓），boost（升壓），buck-boost（升降壓）三種架構(gòu)。DC/DC的優(yōu)點(diǎn)是效率高，電壓范圍寬，可以做到較大跨度的電壓變換。但是DC/DC的輸出紋波較大而且成本較高。

ELF 1的最小系統(tǒng)用到的DC/DC芯片MP2147GD在最小系統(tǒng)中的作用是將5V電源降壓到3.3V輸出，在芯片MP2147GD輸入引腳VIN輸入5V電壓，經(jīng)過內(nèi)部電路降壓后在引腳OUT輸出3.3V的電壓，其中，R217、R224作為反饋電阻將輸出的電平經(jīng)過分壓后輸入到FB引腳，F(xiàn)B引腳為誤差放大器的輸入，連接到輸出和GND之間的外部電阻分壓器，將FB電壓與內(nèi)部0.6V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，以此來調(diào)整輸出電壓直到輸出電平為3.3V，因此，反饋電阻的取值極為重要，反饋電阻有誤會(huì)導(dǎo)致DC/DC芯片輸出電平有誤，可能會(huì)對(duì)后級(jí)電路造成損壞。

注意設(shè)計(jì)上電時(shí)序：

在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)除了要考慮電源的供電電壓、輸出電流等參數(shù)外還要注意電源的上電時(shí)序，在某些應(yīng)用場(chǎng)景需要對(duì)電源做時(shí)序控制。例如ELF 1的最小系統(tǒng)板在上電時(shí)需要先讓核心板上電再給底板上電，這樣做是為了防止發(fā)生閂鎖效應(yīng)。(閂鎖效應(yīng)是指 CMOS 器件所固有的寄生雙極晶體管被觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間存在一個(gè)低阻通路，產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致電路無法正常工作，甚至燒毀電路的現(xiàn)象)在不控制上電時(shí)序的情況下，如果核心板的電源還未完全啟動(dòng)但底板的電源已經(jīng)啟動(dòng)，有電流從底板往核心板的IO口灌入時(shí)，比較容易發(fā)生閂鎖效應(yīng)。所以為了避免這種情況需要做好核心板先上電底板后上電的電源時(shí)序。具體控制電路見下圖。

電源電路原理講解：

底板電源為直流5V，由Type-C插座（P3和P5）引入，用戶可以在二者任選一路供電。

注意：ELF 1/ELF 1S開發(fā)板供電最好選用5V2A以上適配器，臺(tái)式電腦優(yōu)先使用主機(jī)后面板USB口供電，前面板供電功率可能不足，會(huì)導(dǎo)致ELF 1/ELF 1S開發(fā)板某些功能測(cè)試異常。

VDD_5VIN經(jīng)過撥動(dòng)開關(guān)S2和濾波電容C11后，直接向核心板供電，VDD_5V經(jīng)DC/DC芯片MP2147GD降為VDD_3V3，PMIC_ON_REQ是核心板輸出的電源控制信號(hào)，在核心板電源啟動(dòng)之前PMIC_ON_REQ信號(hào)為低電平，MOS管Q3關(guān)斷導(dǎo)致Q1和Q2處于關(guān)斷狀態(tài)，所以此時(shí)底板的GEN_5V和GEN_3V3都無法上電。當(dāng)核心板電源啟動(dòng)后通過拉高PMIC_ON_REQ控制MOS管Q3導(dǎo)通，Q3導(dǎo)通后拉低Q1和Q2的柵極使其Vgs達(dá)到MOS導(dǎo)通條件，Q1和Q2導(dǎo)通后GEN_5V和GEN_3V3給底板上電。由于PMIC_ON_REQ由CPU內(nèi)部100K上拉，底板R40阻值不能選的過低（建議不要低于100K），需要保證與100K分壓后電壓可以正常穩(wěn)定的使MOS管Q3導(dǎo)通。

PMIC_ON_REQ引腳輸出高電平， MOS管導(dǎo)通，VDD_5V和VDD_3V3可分別輸出GEN_5V和GEN_3V3。

此部分電路就是控制上電時(shí)序保證了核心板先上電，底板后上電，以防底板通過信號(hào)線給CPU倒灌電流發(fā)生閂鎖效應(yīng)，（閂鎖效應(yīng)在前面的電源介紹中已經(jīng)提到）導(dǎo)致CPU損壞。

上圖中R35和R37兩顆電阻作用是在ELF 1斷電后，給對(duì)應(yīng)電容提供放電回路。R38和R40兩顆電阻作用是保證對(duì)應(yīng)MOS管在沒有動(dòng)作時(shí)處于穩(wěn)定的關(guān)斷狀態(tài)。

總結(jié)：

在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)主要有電壓變換和電源時(shí)序控制兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。電壓變換需要我們了解基本的升降壓電路原理以及相關(guān)電路的特性，電源時(shí)序控制電路需要我們捋清楚控制邏輯并且要熟知MOS管等器件的用法。

大家在探究這部分電路時(shí)，可以嘗試獨(dú)立地解析原理圖中包含的所有器件的功能及其在系統(tǒng)中的作用。最終期待每位小伙伴都能從這個(gè)過程中收獲滿滿！