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為何說電流分配對于整個嵌入式系統至關重要

作者:  瀏覽量:1394  發布時間:2018-04-20 02:33:40  

電流分配對于整個嵌入式系統至關重要,如果設計不當,各個元器件不能各取所需的電流,系統將工作不穩定,發熱量大、重啟甚至整個系統處于癱瘓狀態。

我們來看一則案例:一位硬件工程師在設計以太網PHY電路時,使用了一個外部LDO芯片產生1.2V以供給PHY芯片的數字和模擬電源。在低速傳輸數據時網絡通信一路通順,然而使用1000M全雙工通信模式時,出現通信不穩定的囧況!久經排查,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,并不足以滿足負載的需要。

圖1 PHY芯片的電流特性

圖2 LDO的電氣極限參數

電源網絡為嵌入式系統的各個元器件提供電能。如果設計不當,各個元器件不能各取所需的電量,系統將工作不穩定,發熱量大、重啟甚至整個系統處于癱瘓狀態。因而,電源系統電流的合理分配的重要性不言而喻。

嵌入式硬件電源設計根據規模大小、電源芯片類型等可分為系統級設計和模塊級設計。系統級設計通常指根據系統所需來劃分電源種類的設計。模塊級設計通常指在確定電源電壓種類的情況下,根據負載需求來選擇電源轉換器的設計。 

圖3 嵌入式系統電源設計流程圖

由圖3所示,無論是系統級設計,或者是模塊級設計,電源功耗的估算都是必不可少,重中之重的環節。本文將介紹一種電源電流分配設計的方法。

系統級電源設計需要確定整個系統需要的電源電壓種類,如5V,3.3V,1.8V等,估算各個電源的電流大小作為依據,從而選擇合適的電源IC。

模塊級電源設計在確定電源電壓的前提下,選擇電源轉換器的類型,一般分為線性穩壓器(LDO),開關電源(DC-DC),電荷泵三大類。然后估算電源電流大小,選擇相應的電源IC。

一、估算各模塊電流

確定好電源設計的流程后,可按照硬件設計框圖以表格的形式將各個器件的供電進行分類,列出系統中用到幾種電壓,作為列標題,將耗電模塊作為行標題,將系統中不耗電的部分去除,例如DB9插座,RJ45插座,JTAG接口等連接器,計算出各電壓的電流。此處以廣州致遠電子的EPC-AW287I工控無線主板設計為例,各模塊的電流消耗主要以查詢數據手冊為準,同時加以估算的手段進行填表。

表1 電源電流計算表

在對各個功能模塊進行電流的估算時,若器件數據手冊沒給出其最大值,則一般取額定值的1.5~2倍;而特殊模塊,如AW28A核心板,其電源消耗較為復雜,最大值以典型值的5倍計算。電源芯片的參考轉換效率為80%。工程師可根據電源電流計算表的典型值進行電源系統的設計,并以最大值來進行校驗。

再者,在設計電源系統時還得考慮模塊的同步系數,即在同一時間內,參與消耗電流的器件的比例,一般為0.5~0.7,選取值根據實際的系統來決定。為保證電源系統的穩定性,我們可選取同步系數0.5,即同一時間內,系統中半數耗電模塊的電流值取最大值,其它的取額定值來計算器功耗。

二、繪制電源樹圖

根據估計的電流,以及各電壓等級電流的分配,繪制更加形象直觀的樹狀圖。

1、基本格式要求:

  • 不同電壓等級使用的線條顏色,若電壓等級不在示例內,可以自定義線條顏色;

  • 電源IC塊中:第一行,電源芯片型號;第二行,輸出電壓,電流值;第三行,轉換效率η;

  • 流向箭頭上,用文字標出電壓、電流值;

  • 相同級的塊使用相同的配色框;

  • 若有使用開關(機械開關或MOS管等),必須在相應的位置上圖形標明。

圖4 電源樹設計

上述電源樹中,12V轉5V的DC-DC為電源系統的第一個轉換關卡,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。而具備超低靜態功耗的MP2162則能為需要精細化電流的后級系統模塊提供更好的解決方案。

三、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%。當選用DC-DC時,要考慮負載電路運行在額定電流的50%以上,過小的負載電流會造成本的提高以及過低的轉換效率。

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

四、結束語

電源的電流分配設計優劣關乎系統設計的成敗,對于電子系統的設計者來說,應該引起足夠重視。也許當你發現辛辛苦苦設計的系統僅僅是由于電源問題而無法正常工作的時候,才會真正意識到電源的電流分配設計的重要作用。

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