【解决方案】如何给核心板的底板设计电源？

  在选型某一款核心板后，硬件工程师将会针对自己的产品应用设计底板，除了外设的功能电路外，底板电源设计也是一款产品好坏的关键。结合ZLG致远电子的核心板产品，本文将对底板的电源设计提供一些方法及参考。

 

  确定各供电电源的电压和电流

底板的供电电源可以简单划分为核心板的电源和其它外设的电源，如图1所示。ZLG致远电子的核心板一般只需底板供一路电源，且一般为5V,电流则各款核心板各有不同，如M1107系列核心板要求电流为0.8A(峰值电流)。其它外设电源的电压、电流则需要根据外设的供电需求确定，如显示屏、摄像头模块、以太网、USB设备等供电。底板连接核心板IO口时是要电平匹配的，所以外设至少包括与核心板IO口电平相等的电压，如M1107系列核心板的3.3V，M3568系列核心板的3.3V、1.8V。

图1 底板供电电源

 

  确定底板电源的架构

输入电源不同、外设不同，底板的电源架构会有所不同，但基本可套用图2中的电源架构，具体可根据实际应用增加或变化。图2采用的是两级电源架构，一级电源由输入转5V供给核心板及其它外设，二级电源由5V转各外设需求的电压。

图2 两级电源架构

实际应用时，外设本身需求电流小且要求纹波小通常选用LDO供电，如果需求电压还很低，如1.2V，这时还是5V转1.2V就不太适合了，3.3V转1.2V或2.5转1.2V效率更高，这时就得在图2后面加第三级电源。同样如果底板的输入需求是交流市电，则需要在图2前面加一级电源，如图3所示。

图3 交流市电输入三级电源架构

 

  选型电源芯片，设计电源电路

根据前面确定的各供电电源的电压、电流及电源架构，可以选型满足需求的电源芯片，设计电源电路。DC-DC电源具有效率高、转换压差大、电流输出能力强的优点，但纹波和噪声较大；LDO电源具有噪声小、电路简单的优点，但效率较低、输出电流能力较弱。下面针对图2的电源架构简单讲解电源电路的设计。

1. 图2中一级电源需要将高电压转换到低电压，同时输出电流较大，一般采用DC-DC电源，可根据输入电压、输出电压和负载电流选择合适的DC-DC电源芯片，设计电源电路。图4为M1107系列评估底板的电源设计，一级电源采用的是非隔离降压DC-DC芯片,该芯片的输入电压范围为4.5V-28V,输出电流3A，符合12V输入和5V/2A输出的要求。

图4 M1107系列评估底板的电源设计

在一些干扰比较大或底板本身对干扰要求比较严格的应用场景，一级电源可以考虑采用隔离电源方案，图5中的一级电源使用的是ZLG致远电子的E_UHBD-15W系列隔离电源的E2405UHBD-15W,隔离电压1500VDC,可有效解决系统因静电、浪涌而导致供电不稳定的问题。

图5 前级隔离电源方案

2. 图2中的二级电源主要是考虑用非隔离的DC-DC电源还是LDO电源，一般数字信号、压差大、载流较大的选DC-DC电源，而模拟信号、压差小、载流小的选LDO电源。如果是采用DC-DC电源和一级电源的设计方法一样，如果是LDO则应考虑(压差X载流)是否满足热阻、温升及功耗等参数。

 

  底板和核心板组合上电时序的设计ZLG致远电子的核心板一般是5V供电的，底板的5V上电后核心板的其它电源会按照设计的上电时序依次上电，这些电源包括了IO口电平，IO口是跟底板的外设相连的，为了电平匹配，底板也同时设计了相等的电压。那问题来了，是核心板的I0口电平先上电还是底板的IO口电平先上电？底板的IO口电平能不能早于核心板的IO口电平上电？如果底板的IO口电平更早上电，底板的IO口电流有可能通过IO口倒灌回核心板的CPU或其它外设，进而导致核心板的上电时序逻辑混乱，或者启动模式引脚状态检测错误导致无法启动。所以底板设计也需要考虑上电时序的问题，但也相对简单，设计时底板的外设供电比核心板的IO口电平上电迟就行，一般有两种设计方法，如下。1. RC延时使能一般核心板的IO口电平为3.3V或1.8V,它们是经过5V降压转换得来，而底板的IO电平也是5V降压转换得来，既然是同一路电源转换得到，可以在底板设计时用RC延时电路接到电源芯片使能脚，计算RC的延时时间大于核心板的IO口电平上电时间。图6为M1107系列评估底板3.3V的设计，根据下面公式算得延时时间td为13.28ms，公式中V_EN为电源芯片的高电平使能阈值电平，该芯片为1.2V。同时该芯片的软启动时间为0.5ms，所以总延时为13.78ms，查看M1107系列核心板，3.3V的延时为0.77ms，满足底板IO口电平上电时间大于核心板IO口电平上电时间的要求。  图6 M1107系列评估底板3.3V的RC延时使能设计2. 利用核心板的PWR_OK引脚使能电源芯片ZLG致远电子的一些核心板会引出PWR_OK(或PGOOD)引脚，设计该引脚的目的就是为了底板的上电时序，该引脚在核心板IO口电平上电完成后会输出高电平，可以将该引脚连到底板的电源芯片使能引脚，使底板的IO口电平后上电。图7为M3568系列核心板的评估底板3.3V的电源设计。图7 M3568系列评估底板3.3V的PWR_OK使能设计    技术交流群长按识别如下二维码可加入“工控板/核心板技术交流群”，与志同道合的朋友交流，并有专业技术人员为您答疑解惑，如有问题可以咨询小致微信：zlgmcu-888。