ELF 1技术贴|开发板底板电源电路讲解

ElfBoard 2024-01-15 1148

描述

ELF 1开发板由核心板和底板组成，底板集成CAN、Wi-Fi&BT、Ethernet、音频、USB.Camera、LCD显示、温湿度传感器、UART等功能外设，核心板是核心组件，集成了主控处理器、运行内存、存储、电源管理芯片等，可以最大化的引出处理器的资源。确保核心板能够正常启动，首要条件就是底板配备一个合适、稳定且可靠的电源。

除此之外，底板上的器件以及连接的外围设备（例如：U盘，摄像头等）也需要提供电力支持。底板上的器件种类较多，所需要的供电电压也不同，常用的供电电压有：5V、3.3V、1.8V等，在我们的最小系统板上主要用到了5V和3.3V电源供电，外部电源的接入方式是使用USB-Type-C接口进行供电，电源电压为5V，但在底板上部分电路为3.3V供电，所以我们要对5V电源进行降压处理，从而得到3.3V电源即可为相关电路供电。

选择合适的电源类型：

在嵌入式领域常用的电压变换方式一般有LDO和DC/DC两种方式。我们所说的LDO(low dropout regulator)是“低压差线性稳压器”的简称，低压差是指输入电压和输出电压之间的压差较低。在LDO内部通过Pmos、误差放大器、电压基准源、保护电路等结构组成实现线性稳压功能。LDO的特点为效率低，但纹波小成本低。

DC/DC是直流-直流电压变换器，用于电源电路中的电压变换。DC/DC转换器的工作原理是通过开关管的开关动作，周期性地将输入电能传输到能量存储元件中，然后再从能量存储元件中释放输出电能。通过调整开关管的导通和截止时间，可以控制直流电能在能量存储元件中的流动和输出电压的大小。在嵌入式领域DC/DC通常包括buck（降压），boost（升压），buck-boost（升降压）三种架构。DC/DC的优点是效率高，电压范围宽，可以做到较大跨度的电压变换。但是DC/DC的输出纹波较大而且成本较高。

ELF 1的最小系统用到的DC/DC芯片MP2147GD在最小系统中的作用是将5V电源降压到3.3V输出，在芯片MP2147GD输入引脚VIN输入5V电压，经过内部电路降压后在引脚OUT输出3.3V的电压，其中，R217、R224作为反馈电阻将输出的电平经过分压后输入到FB引脚，FB引脚为误差放大器的输入，连接到输出和GND之间的外部电阻分压器，将FB电压与内部0.6V基准电压进行比较，以此来调整输出电压直到输出电平为3.3V，因此，反馈电阻的取值极为重要，反馈电阻有误会导致DC/DC芯片输出电平有误，可能会对后级电路造成损坏。

注意设计上电时序：

在设计电源电路时除了要考虑电源的供电电压、输出电流等参数外还要注意电源的上电时序，在某些应用场景需要对电源做时序控制。例如ELF 1的最小系统板在上电时需要先让核心板上电再给底板上电，这样做是为了防止发生闩锁效应。(闩锁效应是指 CMOS 器件所固有的寄生双极晶体管被触发导通，在电源和地之间存在一个低阻通路，产生大电流，导致电路无法正常工作，甚至烧毁电路的现象)在不控制上电时序的情况下，如果核心板的电源还未完全启动但底板的电源已经启动，有电流从底板往核心板的IO口灌入时，比较容易发生闩锁效应。所以为了避免这种情况需要做好核心板先上电底板后上电的电源时序。具体控制电路见下图。

电源电路原理讲解：

底板电源为直流5V，由Type-C插座（P3和P5）引入，用户可以在二者任选一路供电。

注意：ELF 1/ELF 1S开发板供电最好选用5V2A以上适配器，台式电脑优先使用主机后面板USB口供电，前面板供电功率可能不足，会导致ELF 1/ELF 1S开发板某些功能测试异常。

VDD_5VIN经过拨动开关S2和滤波电容C11后，直接向核心板供电，VDD_5V经DC/DC芯片MP2147GD降为VDD_3V3，PMIC_ON_REQ是核心板输出的电源控制信号，在核心板电源启动之前PMIC_ON_REQ信号为低电平，MOS管Q3关断导致Q1和Q2处于关断状态，所以此时底板的GEN_5V和GEN_3V3都无法上电。当核心板电源启动后通过拉高PMIC_ON_REQ控制MOS管Q3导通，Q3导通后拉低Q1和Q2的栅极使其Vgs达到MOS导通条件，Q1和Q2导通后GEN_5V和GEN_3V3给底板上电。由于PMIC_ON_REQ由CPU内部100K上拉，底板R40阻值不能选的过低（建议不要低于100K），需要保证与100K分压后电压可以正常稳定的使MOS管Q3导通。

PMIC_ON_REQ引脚输出高电平， MOS管导通，VDD_5V和VDD_3V3可分别输出GEN_5V和GEN_3V3。

此部分电路就是控制上电时序保证了核心板先上电，底板后上电，以防底板通过信号线给CPU倒灌电流发生闩锁效应，（闩锁效应在前面的电源介绍中已经提到）导致CPU损坏。

上图中R35和R37两颗电阻作用是在ELF 1断电后，给对应电容提供放电回路。R38和R40两颗电阻作用是保证对应MOS管在没有动作时处于稳定的关断状态。

总结：

在设计电源电路时主要有电压变换和电源时序控制两个关键点。电压变换需要我们了解基本的升降压电路原理以及相关电路的特性，电源时序控制电路需要我们捋清楚控制逻辑并且要熟知MOS管等器件的用法。

大家在探究这部分电路时，可以尝试独立地解析原理图中包含的所有器件的功能及其在系统中的作用。最终期待每位小伙伴都能从这个过程中收获满满！

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