【电路设计】优化降压电源硬件方案

文章目录

  • 【硬件设计】降压电源电路设计
  • 一、前言
  • 二、低压差降压电源设计
  • 三、高压差降压电源设计
  • 四、电源中的隔离
  • 4.1 电源隔离
  • 4.2 模数隔离
  • 【硬件设计】降压电源电路设计

    摘要:

  • 单片机电源电路如何设计?
  • 如何设计 12V 转 5V ?
  • 如何设计 5V 转 3.3V 电路?
  • 电源隔离和模数隔离是什么?
  • 一、前言

    搞嵌入式开发不仅仅局限于软件层面,肯定要掌握一些基本的原理图设计,以及 2 层板的 PCB 布线,在设计开发板的过程中,我们的电子元件经常要使用到各种电压,这些电压一般情况下由更高的电压降压获得,比如我们有电源 12V,想获得 5V 和 3.3V 电压,就可以使用降压芯片来降压获得,但电源设计时也需要注意一些要点,注意一下降压芯片和降压电路使用场景,稍有不慎用错地点就会导致翻车,轻则少几顿饭,重则重开

    二、低压差降压电源设计

    低压差降压电路,是指输入电压和输出电压的压差较小,大概 1.5V-3V 左右,这个电路的设计一般使用线性 LDO,即线性稳压源,该稳压源工作在线性区,简单说就是电阻分压,只能用于降压变换,输出电流基本上等于输入电流,当输入输出压差大时,系统转换效率较低,功耗也会变的很高,一般在单片机设计中经常使用 AMS1117 来进行低压差电压设计,因为电路简单,比如 5V 降压到 3.3V:

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    只需要一个芯片,加几个电容即可进行降压,成本低,降压效果也不错

    可能你看到这个电路,就想那我能不能用 LDO 来将 12V 降压到 5V 呢?这里我极不推荐使用线性稳压源来降压 12V 以获取 5V 电压,12V 到 5V 间的压差是 7V,如果电流稍微大一点,功耗会极高,说白了就是发热严重,就算你只接一个单片机,加个 TFT 屏幕,AMS 都会发热严重,所以线性 LDO 只适合低压差降压,高压差不推荐(输出电流极小的情况也可以考虑)

    三、高压差降压电源设计

    高压差的电源设计,推荐使用开关电源进行降压,开关电源简单的理解就是对输入电源进行开关,对输出进行处理后获取一个电压输出,在单片机设计中,高压差降压一般使用开关电源来处理

    因为在高压差的情况下,开关电源效率高,功耗小,尤其在需要输出电流较大的情况下发热不会太严重,一般单片机我们的供电是 12V 的直流,想要用它来获取 5V 的直流,所以推荐使用 DC-DC 开关电源转换电路,就是对 DC(直流)电源进行开关,获取 DC(直流)输出

    开关电源一般外部元件较多,设计布局要稍微注意注意,这里我展示一个常用的大电流开关电源设计(12V – 5V),使用 XL4015 电源芯片,转换效率可达95%,电流最高可达 5A!

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    四、电源中的隔离

    4.1 电源隔离

    单片机电源设计中经常会遇到一些需要隔离的情况,比如说我使用光耦隔离模块来控制一个外部电路的导通,而外部电路也需要使用到单片机的供电,如果我们直接将单片机电源提供给外部的电路,那光耦隔离等于没有做了,要想彻底隔离开,电源也要做隔离,一般有两种方法:

  • 用两套电源
  • 使用一套电源,但在不同电源间加隔离芯片,比如下面的光耦隔离电路,单片机的电源和光耦控制电路输出的电源使用隔离芯片进行隔离
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    4.2 模数隔离

    除了电源的隔离,在一些模拟电路和数字电路之间会产生干扰,比如

  • 地线阻抗不是0,当电流流经它时就会有电压降,使得各处的参考地电压不再相同,尤其是数字电路上的脉冲干扰电压影响模拟电路,数字信号一般为矩形波,带有大量的谐波。如果电路板中的数字地与模拟地没有从接入点分开,数字信号中的谐波很容易会干扰到模拟信号的波形。
  • 同样模拟信号为高频或强电信号时,也会影响到数字电路的正常工作
  • 所以我们对模拟电路和数字电路也要做模数隔离,常用的方法就是将两块电路的 GND 单独加 0 欧电阻然后接入到电源地,因为 0 欧电阻单点接地,可以限制噪声,同时因为 0 欧电阻也有阻抗,对所有频率的噪声都有衰减作用,可以限制噪声电流通过,具体接法如下面的原理图所示:

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