嵌入式硬件設(shè)計(jì)03-用電源樹(shù)搞定電流分配

您有沒(méi)有試過(guò)電路板空載時(shí)上電一切正常，但帶上負(fù)載后就“動(dòng)力不足”呢?不是因?yàn)橥庠O(shè)“索要”的太多，而是您的電源“給予”的不合理!我們來(lái)看一則案例：一位硬件工程師在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)PHY電路時(shí)，使用了一個(gè)外部LDO芯片產(chǎn)生1.2V以供給PHY芯片的數(shù)字和模擬電源。在低速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信一路通順，然而使用1000M全雙工通信模式時(shí)，出現(xiàn)通信不穩(wěn)定的囧況!久經(jīng)排查，才得知PHY芯片在千兆通信模式下1.2V電源的電流大小達(dá)到500mA以上，如圖 1;然而工程師選取的LDO的最大輸出能力才只有350mA，如圖 2，并不足以滿足負(fù)載的需要。

圖 1 PHY芯片的電流特性

圖 2 LDO的電氣極限參數(shù)

電源網(wǎng)絡(luò)為嵌入式系統(tǒng)的各個(gè)元器件提供電能。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，各個(gè)元器件不能各取所需的電量，系統(tǒng)將工作不穩(wěn)定，發(fā)熱量大、重啟甚至整個(gè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。因而，電源系統(tǒng)電流的合理分配的重要性不言而喻。

嵌入式硬件電源設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)模大小、電源芯片類型等可分為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和模塊級(jí)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)通常指根據(jù)系統(tǒng)所需來(lái)劃分電源種類的設(shè)計(jì)。模塊級(jí)設(shè)計(jì)通常指在確定電源電壓種類的情況下，根據(jù)負(fù)載需求來(lái)選擇電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。

圖 3 嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)流程圖

如圖 3所示，無(wú)論是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，或者是模塊級(jí)設(shè)計(jì)，電源功耗的估算都是必不可少，重中之重的環(huán)節(jié)。本文將介紹一種電源電流分配設(shè)計(jì)的方法。

系統(tǒng)級(jí)電源設(shè)計(jì)需要確定整個(gè)系統(tǒng)需要的電源電壓種類，如5V，3.3V，1.8V等，估算各個(gè)電源的電流大小作為依據(jù)，從而選擇合適的電源IC。

模塊級(jí)電源設(shè)計(jì)在確定電源電壓的前提下，選擇電源轉(zhuǎn)換器的類型，一般分為線性穩(wěn)壓器(LDO)，開(kāi)關(guān)電源(DC-DC)，電荷泵三大類。然后估算電源電流大小，選擇相應(yīng)的電源IC。

1. 估算各模塊電流

確定好電源設(shè)計(jì)的流程后，可按照硬件設(shè)計(jì)框圖以表格的形式將各個(gè)器件的供電進(jìn)行分類，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，計(jì)算出各電壓的電流。此處以廣州致遠(yuǎn)電子的EPC-AW287I工控?zé)o線主板設(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。

表 1 電源電流計(jì)算表

在對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行電流的估算時(shí)，若器件數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)給出其最大值，則一般取額定值的1.5~2倍;而特殊模塊，如AW28A核心板，其電源消耗較為復(fù)雜，最大值以典型值的5倍計(jì)算。電源芯片的參考轉(zhuǎn)換效率為80%。工程師可根據(jù)電源電流計(jì)算表的典型值進(jìn)行電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并以最大值來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)。

再者，在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)還得考慮模塊的同步系數(shù)，即在同一時(shí)間內(nèi)，參與消耗電流的器件的比例，一般為0.5~0.7，選取值根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)來(lái)決定。為保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們可選取同步系數(shù)0.5，即同一時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)中半數(shù)耗電模塊的電流值取最大值，其它的取額定值來(lái)計(jì)算器功耗。

2. 繪制電源樹(shù)圖

根據(jù)估計(jì)的電流，以及各電壓等級(jí)電流的分配，繪制更加形象直觀的樹(shù)狀圖。

基本格式要求：

(1)不同電壓等級(jí)使用的線條顏色，若電壓等級(jí)不在示例內(nèi)，可以自定義線條顏色;

(2)電源IC塊中：第一行，電源芯片型號(hào);第二行，輸出電壓，電流值;第三行，轉(zhuǎn)換效率η ;

(3)流向箭頭上，用文字標(biāo)出電壓、電流值;

(4)相同級(jí)的塊使用相同的配色框。

(5)若有使用開(kāi)關(guān)(機(jī)械開(kāi)關(guān)或MOS管等)，必須在相應(yīng)的位置上圖形標(biāo)明。

圖 4 電源樹(shù)設(shè)計(jì)

上述電源樹(shù)中，12V轉(zhuǎn)5V的DC-DC為電源系統(tǒng)的第一個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)卡，需要給予足夠的余量，可使用MPS公司的MP1652/MP1653，其分別適用于12V，2A/3A的電源系統(tǒng)。而具備超低靜態(tài)功耗的MP2162則能為需要精細(xì)化電流的后級(jí)系統(tǒng)模塊提供更好的解決方案。

3. 電源IC的選型基本原則

遵循不要“大牛拉小車”或“小牛拉大車”的基本原則。選用電源芯片時(shí)為保證電源的使用壽命，需要留有一定的裕量，較合適的工作電流為電源芯片最大輸出電流的70%～80%。 當(dāng)選用DC-DC時(shí)，要考慮負(fù)載電路運(yùn)行在額定電流的50%以上，過(guò)小的負(fù)載電流會(huì)造成本的提高以及過(guò)低的轉(zhuǎn)換效率。

當(dāng)使用線性穩(wěn)壓器(特別是普通線性穩(wěn)壓器)的時(shí)候，由于壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上，要考慮充分器件的散熱。

電源的電流分配設(shè)計(jì)優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，對(duì)于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，應(yīng)該引起足夠重視。也許當(dāng)你發(fā)現(xiàn)辛辛苦苦設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅僅是由于電源問(wèn)題而無(wú)法正常工作的時(shí)候，才會(huì)真正意識(shí)到電源的電流分配設(shè)計(jì)的重要作用。