如何設計嵌入式系統電路板供電系統

如何設計嵌入式系統電路板供電系統

我們在設計嵌入式產品時，在瞭解需求後，首先要設計的就是產品的供電系統，不管是產品，還是芯片IC，供電都是必不可少的。設計電路板供電系統時，首先要考慮的就是各個模塊需要的供電電壓和電流，可以籠統的說成需要多大的功率。電路板供電通常會用到兩種電，分別是強電和弱電。這裡的弱電就是低於人體的安全電壓36V電壓的電，強電自然就是指高與36V的，但是平時我們說的強電通常意味著就是220V交流電。對於強電我們可以直接從市電220V取得。對於弱電，我們可以購買市場上相應的電源適配器模塊，當然也可以直接設計適配器。

筆記本電腦電源適配器

比如我們手機和筆記本電腦的供電就是先由外部一個電源適配器供電，然後產品內部有各種電壓值的供電系統。所以設計嵌入式供電系統的思路就是，強電到單一弱電、單一弱電到各種弱電壓（比如，3V，5V），當然也可以從強電到各種單一弱電壓。針對這三種思路，下面分別來介紹下：

強電到單一弱電壓的設計

這種情況下簡單的方案就是用一個變壓器和集成線性穩壓器構成電路設計，這種方案缺點就是體積大、笨重、功耗大而且做不到高功率，現在幾乎不使用這種方案。另一種方案都是屬於AC/DC開關電源設計，最終的設計要求可能就是，需要某一固定電壓值，和需要多大的電流，這個電壓和電流的乘積就是電源適配器的功率。這種AC/DC開關電源設計可以在網絡上找到很多的方案，找到對應的開關電源芯片都會有相應的方案提供，下面我為大家介紹一款開關電源芯片OB2263的方案，原理圖如下，僅供參考：

OB2263的方案原理圖濾波整流

OB2263的方案原理圖

單一弱電壓到各種弱電壓的設計

恆壓源電路

線性恆壓源

常用線性穩壓源

常用的集成線性穩壓源有78XX系列，比如7805、7812等，輸出電壓可以是: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 V，根據需求選擇對應的型號即可。比如需要穩定5V輸出電壓就可以選用7805。

L7805實物圖

不同廠商的前綴可能不同，市場上常用線性恆壓源芯片命名基本如下圖：

線性穩壓器命名

其中：

廠商字符區由0~2個字符組成；

系列字符區一般有，78系列和79系列，78系列是輸出正電壓，79系列是輸出負電壓；

電流字符區，沒有字符一般表示芯片可驅動電流為1A，M表示驅動電流為0.5A，L表示驅動電流有0.1A左右；

輸出電壓字符區，一般是05,06,08,09,10,12,15,18,24對應著輸出不同的電壓。

下面就分享一個7805的實際使用的原理圖，如下：

L7805實際應用原理圖

對於有些功放電路需要 + - 雙電源，可以參考如下設計：

78XX、79XX典型應用

LDO線性穩壓源

低壓差線性穩壓源，這種集成線性穩壓器，要求應用場合輸入輸出電壓差要小。我們經常用的有1117系列，比如LM1117-1.8、LM1117-2.5、LM1117-3.3、LM1117-5.0、LM1117-ADJ(此型號是輸出電壓可調)，輸出電流可達到0.8A。示例電路如下：

LM1117典型應用

下圖是實際工程中應用AMS1117-3.3實現的5V到3.3V的原理圖：

AMS1117-3.3實際應用原理圖

AMS1117-3.3實物圖如下：

AMS1117-3.3實物圖

DC-DC開關恆壓源

DC-DC開關恆壓源，通過對控制DC-DC轉換器芯片內的集成開關管，控制電容和電感儲能和釋能來控制電壓恆定輸出，這種方法可以實現電源的升壓、降壓、反壓。常用的芯片有MC34603,常用降壓DC-DC轉換器有LM2576系列。下面分別對這兩種芯片應用做介紹。

富滿MC34063內部集成開關管，開關頻率在100Hz~100KHz之間，可以通過TC引腳調節，其輸出電流可達500aA，輸出電壓範圍在3V~15V之間，不同廠商略有差異。富滿MC34063內部框圖如下：

MC34063內部結構框圖

使用富滿MC34063可以實現升壓、降壓、和反壓，可參考如下原理圖：

12V升壓到30V

12V降壓到5V

5V反壓到-12V

各電路的參數計算公式可參考下圖：

MC34063計算公式

下面給出一張實際工程中應用的電路圖：

MC34063實際應用

LM2576系列DC-DC轉換器有很多種型號，可以根據不同需求選擇，可輸出3.3V、5V、12V、15V和可調輸出1.23~37V之間。其輸入電壓範圍可達7V~40V，輸出電流可達3A，52K固定開關頻率。其典型應用和框圖如下：

LM2576內部結構框圖

下面給出實際應用中使用的案例：

LM2576-5.0實際應用原理圖

DC-DC電源模塊

有些時候我們設計通訊電路時，比如RS485和CAN接口電路，我們需要做隔離處理，以確保設計系統的安全可靠性，這時對RS485接口電路的電壓也要做隔離處理，這時候會用到這種小型的SIP-4封裝的DC-DC隔離電源模塊，常用的型號有B0505S、MAU202等，功率可達1W，這種模塊這裡就不做過多介紹，下面給出實際應用的電路圖：

MAU202實際應用原理圖

電壓基準

對於有些需要精準電壓源的地方，比如單片機ADC模塊的供電，其他精密傳感器等，都需要精準的電壓來確保數據採集的精確。我們最常用的也就是TL431了，其內部結構圖和原理圖符號如下：

TL431內部結構框圖

TL431有很多用途，其典型應用如下圖：

TL431典型應用

下面給出一張工程設計中應用TL431的實例：

TL431實際應用原理圖

恆流源電路

對於有些應用場合，需要恆流源的，這裡做下介紹，下面給出一張應用於測溫電路的1mA恆流源電路並分析。

1mA恆流源

上圖恆流電路中，VZ1的一個2.5V穩壓管，根據運放的虛短原則（運放同相端和反向斷電壓幾乎相等），所以U2電位電壓和U3電位電壓相等，所以R31兩端的電壓與穩壓管電壓相等，也就是說R31兩端的電壓降是2.5V。所以流經R31的電流為2.5V/2.5K=1mA.根據虛斷原理，流僅R31的電流幾乎全部流入複合管，而不流入運放的反向端，則由複合管集電極輸出的電流為1mA。

上圖中設計中的的關鍵點是：由LM336提供一個精密2．5V電壓基準; R31是穩定性好的精密線繞電阻; 由兩片9012組成複合管使電流放大係數值增大，溫漂係數減小，恆流值穩定。

下面也給出一張實際工程中應用1mA恆流測溫的電路圖(下圖電阻參數不對需要重新計算)：

實際應用恆流源參考

其他

實際項目設計時還會遇到其他的一些電源設計，比如有些帶電池的產品中，需要對電池作特殊充放電好相關保護處理，還有些地方需要對電源做必要的監控，防止電源後級短路過流，比如有帶USB接口的產品，需要對USB接口作一定的過流監控。下面就介紹下電池電源管理和電源監控開關。

電池電源管理

我們經常用到的鋰電池，由於其特殊的性質，需要對其做相應的管理，比如要滿足一定的充電曲線。

TP4056充電曲線

下面就介紹一款常用的鋰電池充電芯片TP4056。

內部框圖和引腳信息如下:

TP405內部結構框圖

TP4056引腳圖

引腳描述如下：

TP4056引腳功能描述

典型應用電路如下：

TP4056實際應用

恆流充電階段時的充電電流計算：

Rprog=1100/IBAT(±10%誤差)

實際應用中根據需求選擇合適的Rprog。Rprog與充電電流的關係確定可參考下表：

TP4056恆流值設定

電源監控

在有些專業場合需要實時監測電源電壓電流的地方（比如USB供電），需要有電源監控的功能，下面就介紹兩款電源監控方面的電源開關。

帶故障指示和輸出電流限制可調的高邊電源開關ST890芯片

ST890內部框圖和引腳信息如下:

ST890內部框圖

ST890引腳圖

引腳描述如下：

ST890引腳描述

典型應用電路如下：

ST890典型應用

限流電阻計算：RSET=1.24*1110/ISET

下圖是ST_LINK_V2-1原理圖中需要做510mA電流限制的實際應用電路：

ST890實際應用原理圖

帶故障指示和輸出電流限制固定的高邊電源開關RT9742系列芯片

RT9742系列內部框圖和引腳信息如下:

TSOT-23-5封裝RT9742內部結構框圖

TSOT-23-3封裝RT9742內部結構框圖

引腳描述如下：

RT9742引腳功能描述

典型應用電路如下：

RT9742典型應用

限流選擇：對不同的電流限制有不同的型號，不同型號封裝也不一樣，具體可以查閱數據手冊中的對應型號。

RT9742選型表

下圖是用於USB接口實際原理圖中需要做電流限制的實際應用電路：

RT9742實際應用原理圖

強電到各種弱電壓的設計

這種情況下就是需要220V轉換輸出各種弱電壓的需求，比如電腦的ATX電源，還有些其他場合，根據實際需求來，這種需求最簡單的方法就是用變壓器加三端穩壓器去設計，另外就是設計多路輸出的開關電源，這都屬於AC-DC

電源設計的範疇，可以和嵌入式系統獨立出來，由於小編接觸過少，這裡就不做介紹，熟悉這塊設計的朋友可以補充。

其他

還有些其他一些小編未知的特種設備電源的場合，這樣也不做介紹，能力有限。有能力的朋友可以補充。