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嵌入式硬件设计03-用电源树搞定电流分配

时间：2018-05-10 15:41来源：ZLG致远电子

摘要：您有没有试过电路板空载时上电一切正常，但带上负载后就“动力不足”呢？不是因为外设“索要”的太多，而是您的电源“给予”的不合理！

您有没有试过电路板空载时上电一切正常，但带上负载后就“动力不足”呢？不是因为外设“索要”的太多，而是您的电源“给予”的不合理！我们来看一则案例：一位硬件工程师在设计以太网PHY电路时，使用了一个外部LDO芯片产生1.2V以供给PHY芯片的数字和模拟电源。在低速传输数据时网络通信一路通顺，然而使用1000M全双工通信模式时，出现通信不稳定的囧况！久经排查，才得知PHY芯片在千兆通信模式下1.2V电源的电流大小达到500mA以上，如图 1；然而工程师选取的LDO的最大输出能力才只有350mA，如图 2，并不足以满足负载的需要。

 
图 1  PHY芯片的电流特性
 
 
图 2  LDO的电气极限参数
 
电源网络为嵌入式系统的各个元器件提供电能。如果设计不当，各个元器件不能各取所需的电量，系统将工作不稳定，发热量大、重启甚至整个系统处于瘫痪状态。因而，电源系统电流的合理分配的重要性不言而喻。

嵌入式硬件电源设计根据规模大小、电源芯片类型等可分为系统级设计和模块级设计。系统级设计通常指根据系统所需来划分电源种类的设计。模块级设计通常指在确定电源电压种类的情况下，根据负载需求来选择电源转换器的设计。 

 
图 3  嵌入式系统电源设计流程图
 
如图 3所示，无论是系统级设计，或者是模块级设计，电源功耗的估算都是必不可少，重中之重的环节。本文将介绍一种电源电流分配设计的方法。

系统级电源设计需要确定整个系统需要的电源电压种类，如5V，3.3V，1.8V等，估算各个电源的电流大小作为依据，从而选择合适的电源IC。

模块级电源设计在确定电源电压的前提下，选择电源转换器的类型，一般分为线性稳压器（LDO），开关电源（DC-DC），电荷泵三大类。然后估算电源电流大小，选择相应的电源IC。

1. 估算各模块电流
确定好电源设计的流程后，可按照硬件设计框图以表格的形式将各个器件的供电进行分类，列出系统中用到几种电压，作为列标题，将耗电模块作为行标题，将系统中不耗电的部分去除，例如DB9插座，RJ45插座，JTAG接口等连接器，计算出各电压的电流。此处以广州致远电子的EPC-AW287I工控无线主板设计为例，各模块的电流消耗主要以查询数据手册为准，同时加以估算的手段进行填表。

表 1  电源电流计算表
 
 
在对各个功能模块进行电流的估算时，若器件数据手册没给出其最大值，则一般取额定值的1.5~2倍；而特殊模块，如AW28A核心板，其电源消耗较为复杂，最大值以典型值的5倍计算。电源芯片的参考转换效率为80%。工程师可根据电源电流计算表的典型值进行电源系统的设计，并以最大值来进行校验。

再者，在设计电源系统时还得考虑模块的同步系数，即在同一时间内，参与消耗电流的器件的比例，一般为0.5~0.7，选取值根据实际的系统来决定。为保证电源系统的稳定性，我们可选取同步系数0.5，即同一时间内，系统中半数耗电模块的电流值取最大值，其它的取额定值来计算器功耗。

2. 绘制电源树图
根据估计的电流，以及各电压等级电流的分配，绘制更加形象直观的树状图。

基本格式要求：
（1）不同电压等级使用的线条颜色，若电压等级不在示例内，可以自定义线条颜色；
（2）电源IC块中：第一行，电源芯片型号；第二行，输出电压，电流值；第三行，转换效率η ；
（3）流向箭头上，用文字标出电压、电流值；
（4）相同级的块使用相同的配色框。
（5）若有使用开关（机械开关或MOS管等），必须在相应的位置上图形标明。

 
图 4  电源树设计
 
上述电源树中，12V转5V的DC-DC为电源系统的第一个转换关卡，需要给予足够的余量，可使用MPS公司的MP1652/MP1653，其分别适用于12V，2A/3A的电源系统。而具备超低静态功耗的MP2162则能为需要精细化电流的后级系统模块提供更好的解决方案。

3. 电源IC的选型基本原则
遵循不要“大牛拉小车”或“小牛拉大车”的基本原则。选用电源芯片时为保证电源的使用寿命，需要留有一定的裕量，较合适的工作电流为电源芯片最大输出电流的70%～80%。 当选用DC-DC时，要考虑负载电路运行在额定电流的50%以上，过小的负载电流会造成本的提高以及过低的转换效率。

当使用线性稳压器（特别是普通线性稳压器）的时候，由于压降都消耗在稳压芯片上，要考虑充分器件的散热。

电源的电流分配设计优劣关乎系统设计的成败，对于电子系统的设计者来说，应该引起足够重视。也许当你发现辛辛苦苦设计的系统仅仅是由于电源问题而无法正常工作的时候，才会真正意识到电源的电流分配设计的重要作用。

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