飞凌嵌入式-ELFBOARD ELF 2电源电路讲解

eefocus_3945399

  核心板的正常启动需要有一个合适、稳定、可靠的电源。除核心板外，底板上也需要电源为器件以及连接的外围设备进行供电，例如：外接的U盘，摄像头等。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：12V、5V、3.3V、1.5V等。

    ELF 2开发板配套一个12V/2.5A的适配器，接入开发板的电源Type-C接口，为开发板提供稳定的12V的PD（Power Delivery，功率传输协议）供电，同时这个12V直接为核心板供电。在底板上通过DC-DC开关电源将外部提供的12V分别降压到5V和3.3V，为底板各种接口的外设提供其所需的电源。

  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 2中使用到的DC-DC芯片MP8765GQ的作用是将12V电源降压到5V，在MP8765GQ芯片的输入引脚VIN输入12V电压，经过内部电路降压后在引脚OUT输出5V的电压，其中，R22和R24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基准电压进行反复比较，以此来调整输出电压，直到输出电平为5V，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。

  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。例如我们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1.3。

图1.3 12V PD电源输入原理图

  开发板使用12V电源适配器供电，底板采用PD快充诱骗12V方案，Type-C接口供电。同时为了方便使用也兼容市面上一些PD快充充电器，请确认供电参数无误再使用。开发板优先使用配套电源适配器！

      VCC12V_DCIN通过U3（DC-DC）降压至VCC_5V，VCC_5V给底板其他外设供电。

  核心板通过12V供电正常启动后，CARRIER_EN引脚和RESET_L引脚需要同时保持高电平，控制U3使能输出VCC_5V电源为开发板的部分外设供电。RESET_L引脚与CARRIE_EN通过三极管Q1和Q2构成“与”逻辑，只有二者均为高电平，VCC_5V电源才会正常使能输出。

如果按下复位按键，RESET_L信号会被拉低，致使VCC_5V电源消失，底板外设整板掉电。

图1.4 12V-5V电压转换原理图

VCC_5V通过U4（DC-DC）降压至VCC_3V3。VCC_3V3电源为开发板的部分设备供电。

图1.5 5V-3V3电压转换原理图

VCC_3V3通过U1（LDO）降压至VCC_1V8。VCC_1V8电源为开发板的部分设备供电。

图1.6 3V3-1V8电压转换原理图

注意：

1.客户自行设计时，务必保证电源的上电时序。

2.升降压芯片的器件选型及外部布局需要参考对应的芯片手册，确保良好的电源回路。

注：下图中元件位号有“_DNP”标识的，代表此元器件默认不焊接。

配套硬件手册中的原理图仅是为了方便阅读和了解，后续可能会有更改，用户学习和设计时以源文件原理图为准。