產品電源設計過程：系統級電源框圖設計、產品功能框圖設計、各電源電壓的功耗估算、電源框圖設計、處理器電源上電時序設計。
產品電源設計過程
系統級電源框圖設計
系統級的電源設計，主要從整個系統的功能、產品的應用場合、開發(fā)周期、性價比等整體出發(fā)，綜合評估系統前級、板內功能模塊、對外供電接口、通訊接口、數據采集接口等對電源的需求及相應需達到的防護等級。在實際的工程應用中，市場機會稍縱即逝，往往留給產品的開發(fā)周期都很短，從產品的可靠性出發(fā)，系統級的電源設計，通常都盡量采用成熟的模塊化電源來設計，降低風險，使產品盡早面世，占領市場。
圖6.4 工控系統應用框圖 以如圖6.10所示的工控系統應用為例進行說明，系統較為復雜，包括了多種信號的數據采集、CAN、RS-485等現場總線、板內要求雙電源供電的運放、電機驅動等多種功能。每個功能模塊，對電源的要求都有所不同，且整個系統對EMS的要求達到工業(yè)四級。
產品功能框圖設計
以一個工業(yè)現場使用的數據集中器為例，該系統使用M283郵票孔核心板，系統采用12V~24V供電，需要隔離的RS485，隔離CAN總線通信，畫出系統框圖，如圖6.2所示。
圖6.5 數據集中器系統框圖6.5.3
各電源電壓的功耗估算
客戶需求和功能框圖確定以后。按照圖6.2將對各器件的供電分類，計算出各電壓的電流。
表6.1 電源電流計算表模板
以表6.1為模板，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。使用Excel表格建立如表6.2所示的表格，以方便電流的計算和排序。
以集中器的設計為例，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。在繪制PCB時，PCB設計人員就可以根據模塊消耗的電流，對大功率的模塊進行特別關注。
表6.2 電源電流計算表
1. 核心板消耗電流的估算
查詢《MiniARM M28A 數據手冊V1.05.pdf》第“3.1 電源靜態(tài)參數”章節(jié)，i.MX283核心板可以使用5V或4.2V兩種方式供電。廠商建議采用4.2V供電，供電電流典型值為100mA，將100mA填入到表6.2中。手冊并未給出最小值和最大值，因此需要根據經驗填寫最大值，可不填寫最小值。 注意：核心板電源消耗較為復雜，模塊消耗電流最大值以典型值的5倍左右計算。
2. 液晶屏消耗電流的估算
M283-128LI核心板的LCD接口設計可以外接4.3寸、7寸、8寸等多種尺寸的TFT模塊。因此在計算LCD接口的電流時要考慮多種屏的兼容性。
對比《LCD_TM070RDH12_24B數據手冊 V1.01.pdf》和《TFT-4.3A 數據手冊 V1.00.pdf》對于5V的電流消耗，4.3寸液晶屏的典型值為30mA，最大值為100mA；7寸液晶屏的典型值為580mA，沒有給出最大值。因此在LCD接口一行對應5V一列，填寫典型值為580mA。
液晶屏對電源的消耗主要用在背光上面，最大電流值的估算以經驗估算為典型值的1.5倍~2倍。集中器主板的LCD接口不僅提供了5V電源，同時也提供了3.3V的電源，查看《TM070RDH12》的手冊“4.1 Recommended Operating Condition”章節(jié)給出了Ivcc的最大值為10mA，并未給出典型值。因此在LCD接口一行對應3.3V一列，填寫最大值為10mA。
3. 按鍵消耗電流的估算
集中器主板采用普通的按鍵，作為無源器件，按鍵本身可以通過很大的電流，為了確保不燒壞CPU的IO口，必須對按鍵進行電流限制。以IO的電壓值為0~3.3V，按鍵的上拉電阻選值10K，因此按鍵本身消耗的電流僅0.3mA左右。按鍵數量為3個，因此在按鍵一行對應3.3V一列，填寫典型值為1mA。
4. GPIO消耗電流的估算
集中器主板為用戶預留40個GPIO。對于ARM7內核以上的處理器，IO口的灌電流和拉電流能力通常不超過4mA。在設計IO口驅動的電流時，用戶亦需要將電流限制在2mA以下。在GPIO一行對應3.3V一列，填寫典型值為80mA，最大值為160mA。
5. 蜂鳴器消耗電流的估算
工作在3V~5V的蜂鳴器，不同功率的蜂鳴器消耗電流是10mA~80mA ，集中器主板采用AX-1203-LF，查詢蜂鳴器廠家提供的數據手冊，在蜂鳴器一行對應3.3V一列，填寫典型值為15mA，最大值為45mA。
6. USB HOST消耗電流的估算
USB HOST接口為插入的U盤，鼠標等提供電流。U盤、鼠標等設備消耗電流在200mA左右，根據USB2.0的規(guī)范，USB HOST接口提供最大電流不超過500mA。在USB HOST一行對應5.0V一列，填寫典型值為200mA，最大值為500mA。
7. USB OTG消耗電流的估算
USB OTG接口既可以作為Device設備，又可以作為USB HOST設備，在USB OTG一行對應5.0V一列，填寫典型值為200mA，最大值為500mA。
8. SP3232消耗電流的估算
SP3232作為TTL和RS232電平轉換器，采用3.3V供電。查看SP3232的數據手冊，僅給出了極限工作電流±100mA，正常工作不帶負載時最大電流為1mA，輸出短路電流最大值為±60mA和±100mA， SP3232的電流估算會不非常準。在SP3232一行對應3.3V一列，填寫典型值為1mA，最大值為100mA。
9. DP83848消耗電流的估算
DP83848作為PHY芯片連接CPU和RJ45插座。對以太網的信號進行轉換。查看DP83848的數據手冊，100M全雙工模式下的典型電流為81mA，10M全雙工模式下的典型電流為92mA。最大工作電流按照1.5倍計算為138mA。在DP83848一行對應3.3V一列，填寫典型值為92mA，最大值為138mA。
10. TF卡消耗電流的估算
TF卡接口是標準的SDIO接口，查詢SD-Memory Card Specifications TF卡最大消耗電流100mA，典型工作電流為55mA。
11. RSM3485消耗電流的估算
RSM3485隔離485收發(fā)器是致遠電子設計的小體積、高性能的隔離收發(fā)器，可以完美取代傳統的分立隔離方案。查詢RSM3485的datasheet。靜態(tài)電流小于40mA，發(fā)送電流小于100mA。
12. CTM8251消耗電流的估算
CTM8251隔離CAN收發(fā)器是致遠電子設計的小體積、高性能的隔離收發(fā)器。查詢CTM8251的datasheet。靜態(tài)電流小于30mA，發(fā)送電流小于55mA。
注意：表6.2的右下角有一組數字“1352”，“2979”為折算為5V后的電流累加，整板的典型電流估算值為1.35A，最大電流為2.9A。6.5.4
電源框圖設計
集中器主板電源框圖設計是將圖6.1和表6.2整合在一起，這樣能夠清晰表達整板電源分布的圖。是PCB電源布線的抽象設計。
圖6.6 電源框圖設計6.5.5
處理器電源上電時序設計
由于處理器速度越來越快、功耗要求越來越低，不同的外設需要不同的電源域進行管理，因此常見的電源域有3.3V，1.8V，1.5V，1.2V，1.1V，0.9V。由于i.MX28x系列處理器內部集成了上電時序控制，因此不需要用戶再設計電源時序。為了方便介紹，引用某半導體的一個Cortex-A8處理器的上電時序作為介紹上電時序的對象，如圖6.5所示。
圖6.7 一個處理器的上電時序
多電源處理器域出現的時候，由于缺乏設計經驗，不少工程師設計出的產品要么不工作、要么工作不穩(wěn)定。IC廠家看到了這種現象，推出了相應的電源時序管理IC，典型的就有ADI公司，但是這些時序控制IC提供的功能有限，與此同時還誕生了一些IC公司專門設計了電源管理芯片PMU。后來處理器廠商在推廣處理器時，配套提供相對應的PMU， 推廣CPU+PMU方案了。CPU+PMU的方案不僅解決了硬件工程師頭痛的問題，而且有效地降低了系統的體積和功耗。
原廠配套的PMU一般價格比較貴，而且PMU的主要作用是動態(tài)功耗調整，上電時序只是一個小的功能。在一些并不需要動態(tài)功耗控制的應用，可以采用低成本分立元件搭建的RC延時電路 + DC-DC轉換器的方法亦可以實現電源時序的控制。
根據圖6.5將不同電壓的電源、使能信號轉換為如圖6.6所示的上電時序，可以更加直觀地從電壓等級以及時間上看出時序的要求。
圖6.8 轉換后的上電時序
典型的RC延時電路，如圖6.7所示。
圖6.9 隨供電電源延時圖
6.10 隨使能信號和電源信號信號延時
RC延時電路采用了電容充放電的原理,電容端電壓Vc初始時刻為0V，DC-DC使能端電壓要大于0.7V。根據電容充電公式
圖6.7中的上電延時時間為0.7ms。假定延時時間t，電容C，使能電壓 ，計算R的值為：
。若延時要求為10us，使能電壓為0.7V，電容選用0.01uF，計算出R值為6.6KΩ，選擇6.8KΩ即可。
注意：一些廠商的ARM核心板要求底板的電源延遲上電，具體參照廠商數據手冊。
