您有沒有試過電路板空載時(shí)上電一切正常,，但帶上負(fù)載后就“動力不足”呢,？不是因?yàn)橥庠O(shè)“索要”的太多,，而是您的電源“給予”的不合理,！我們來看一則案例：一位硬件工程師在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)PHY電路時(shí)，使用了一個(gè)外部LDO芯片產(chǎn)生1.2V以供給PHY芯片的數(shù)字和模擬電源,。在低速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信一路通順,，然而使用1000M全雙工通信模式時(shí),，出現(xiàn)通信不穩(wěn)定的囧況,！久經(jīng)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(dá)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(fù)載的需要,。
圖 1 PHY芯片的電流特性
圖 2 LDO的電氣極限參數(shù)
電源網(wǎng)絡(luò)為嵌入式系統(tǒng)的各個(gè)元器件提供電能,。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，各個(gè)元器件不能各取所需的電量,，系統(tǒng)將工作不穩(wěn)定，發(fā)熱量大,、重啟甚至整個(gè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài),。因而，電源系統(tǒng)電流的合理分配的重要性不言而喻,。
嵌入式硬件電源設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)模大小,、電源芯片類型等可分為系統(tǒng)級設(shè)計(jì)和模塊級設(shè)計(jì)。系統(tǒng)級設(shè)計(jì)通常指根據(jù)系統(tǒng)所需來劃分電源種類的設(shè)計(jì),。模塊級設(shè)計(jì)通常指在確定電源電壓種類的情況下,，根據(jù)負(fù)載需求來選擇電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。
圖 3 嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)流程圖
如圖 3所示,，無論是系統(tǒng)級設(shè)計(jì),，或者是模塊級設(shè)計(jì)，電源功耗的估算都是必不可少,，重中之重的環(huán)節(jié),。本文將介紹一種電源電流分配設(shè)計(jì)的方法,。
系統(tǒng)級電源設(shè)計(jì)需要確定整個(gè)系統(tǒng)需要的電源電壓種類，如5V,，3.3V,，1.8V等，估算各個(gè)電源的電流大小作為依據(jù),，從而選擇合適的電源IC,。
模塊級電源設(shè)計(jì)在確定電源電壓的前提下，選擇電源轉(zhuǎn)換器的類型,，一般分為線性穩(wěn)壓器（LDO）,，開關(guān)電源（DC-DC），電荷泵三大類,。然后估算電源電流大小,，選擇相應(yīng)的電源IC。
1.估算各模塊電流
確定好電源設(shè)計(jì)的流程后,，可按照硬件設(shè)計(jì)框圖以表格的形式將各個(gè)器件的供電進(jìn)行分類,，列出系統(tǒng)中用到幾種電壓，作為列標(biāo)題,，將耗電模塊作為行標(biāo)題,，將系統(tǒng)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(jì)算出各電壓的電流,。此處以廣州致遠(yuǎn)電子的EPC-AW287I工控?zé)o線主板設(shè)計(jì)為例,，各模塊的電流消耗主要以查詢數(shù)據(jù)手冊為準(zhǔn)，同時(shí)加以估算的手段進(jìn)行填表,。
表 1 電源電流計(jì)算表
在對各個(gè)功能模塊進(jìn)行電流的估算時(shí),，若器件數(shù)據(jù)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(fù)雜,，最大值以典型值的5倍計(jì)算,。電源芯片的參考轉(zhuǎn)換效率為80%。工程師可根據(jù)電源電流計(jì)算表的典型值進(jìn)行電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，并以最大值來進(jìn)行校驗(yàn),。
再者，在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)還得考慮模塊的同步系數(shù),，即在同一時(shí)間內(nèi),，參與消耗電流的器件的比例,，一般為0.5~0.7，選取值根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)來決定,。為保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，我們可選取同步系數(shù)0.5，即同一時(shí)間內(nèi),，系統(tǒng)中半數(shù)耗電模塊的電流值取最大值,，其它的取額定值來計(jì)算器功耗。
2.繪制電源樹圖
根據(jù)估計(jì)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。
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(nèi)，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(zhuǎn)換效率η ；
?。?）流向箭頭上,，用文字標(biāo)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(guān)（機(jī)械開關(guān)或MOS管等），必須在相應(yīng)的位置上圖形標(biāo)明,。
圖 4 電源樹設(shè)計(jì)
上述電源樹中,，12V轉(zhuǎn)5V的DC-DC為電源系統(tǒng)的第一個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)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(tǒng),。而具備超低靜態(tài)功耗的MP2162則能為需要精細(xì)化電流的后級系統(tǒng)模塊提供更好的解決方案,。
3.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(shí)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(dāng)選用DC-DC時(shí)，要考慮負(fù)載電路運(yùn)行在額定電流的50%以上,，過小的負(fù)載電流會造成本的提高以及過低的轉(zhuǎn)換效率,。
當(dāng)使用線性穩(wěn)壓器（特別是普通線性穩(wěn)壓器）的時(shí)候，由于壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上,，要考慮充分器件的散熱,。
電源的電流分配設(shè)計(jì)優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，對于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說,，應(yīng)該引起足夠重視,。也許當(dāng)你發(fā)現(xiàn)辛辛苦苦設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅僅是由于電源問題而無法正常工作的時(shí)候，才會真正意識到電源的電流分配設(shè)計(jì)的重要作用,。