ELF 1技術貼|開發板底板電源電路講解

ELF 1開發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，核心板是核心組件，集成了主控處理器、運行內存、存儲、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，首要條件就是底板配備一個合適、穩定且可靠的電源。

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5V電源進行降壓處理，從而得到3.3V電源即可為相關電路供電。

選擇合適的電源類型：

在嵌入式領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“低壓差線性穩壓器”的簡稱，低壓差是指輸入電壓和輸出電壓之間的壓差較低。在LDO內部通過Pmos、誤差放大器、電壓基準源、保護電路等結構組成實現線性穩壓功能。LDO的特點為效率低，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轉換器的工作原理是通過開關管的開關動作，周期性地將輸入電能傳輸到能量存儲元件中，然后再從能量存儲元件中釋放輸出電能。通過調整開關管的導通和截止時間，可以控制直流電能在能量存儲元件中的流動和輸出電壓的大小。在嵌入式領域DC/DC通常包括buck（降壓），boost（升壓），buck-boost（升降壓）三種架構。DC/DC的優點是效率高，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的最小系統用到的DC/DC芯片MP2147GD在最小系統中的作用是將5V電源降壓到3.3V輸出，在芯片MP2147GD輸入引腳VIN輸入5V電壓，經過內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過分壓后輸入到FB引腳，FB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電壓與內部0.6V基準電壓進行比較，以此來調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，反饋電阻有誤會導致DC/DC芯片輸出電平有誤，可能會對后級電路造成損壞。

注意設計上電時序：

在設計電源電路時除了要考慮電源的供電電壓、輸出電流等參數外還要注意電源的上電時序，在某些應用場景需要對電源做時序控制。例如ELF 1的最小系統板在上電時需要先讓核心板上電再給底板上電，這樣做是為了防止發生閂鎖效應。(閂鎖效應是指 CMOS 器件所固有的寄生雙極晶體管被觸發導通，在電源和地之間存在一個低阻通路，產生大電流，導致電路無法正常工作，甚至燒毀電路的現象)在不控制上電時序的情況下，如果核心板的電源還未完全啟動但底板的電源已經啟動，有電流從底板往核心板的IO口灌入時，比較容易發生閂鎖效應。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開發板供電最好選用5V2A以上適配器，臺式電腦優先使用主機后面板USB口供電，前面板供電功率可能不足，會導致ELF 1/ELF 1S開發板某些功能測試異常。

VDD_5VIN經過撥動開關S2和濾波電容C11后，直接向核心板供電，VDD_5V經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，在核心板電源啟動之前PMIC_ON_REQ信號為低電平，MOS管Q3關斷導致Q1和Q2處于關斷狀態，所以此時底板的GEN_5V和GEN_3V3都無法上電。當核心板電源啟動后通過拉高PMIC_ON_REQ控制MOS管Q3導通，Q3導通后拉低Q1和Q2的柵極使其Vgs達到MOS導通條件，Q1和Q2導通后GEN_5V和GEN_3V3給底板上電。由于PMIC_ON_REQ由CPU內部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定的使MOS管Q3導通。

PMIC_ON_REQ引腳輸出高電平， MOS管導通，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序保證了核心板先上電，底板后上電，以防底板通過信號線給CPU倒灌電流發生閂鎖效應，（閂鎖效應在前面的電源介紹中已經提到）導致CPU損壞。

上圖中R35和R37兩顆電阻作用是在ELF 1斷電后，給對應電容提供放電回路。R38和R40兩顆電阻作用是保證對應MOS管在沒有動作時處于穩定的關斷狀態。

總結：

在設計電源電路時主要有電壓變換和電源時序控制兩個關鍵點。電壓變換需要我們了解基本的升降壓電路原理以及相關電路的特性，電源時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，可以嘗試獨立地解析原理圖中包含的所有器件的功能及其在系統中的作用。最終期待每位小伙伴都能從這個過程中收獲滿滿！