该模块为我们的模块化仪器系统的供电电源部分,见下图左下角的一个模块。
模块化测试测量仪器系统构成
这个模块从USB的5V供电电压(来自MCU核心板)通过不同的电源变换拓扑,得到为模拟电路供电的+/-5V直流电压、为数字电路供电的+3.3V直流电压以及为模拟器件提供精准3.0V基准的3.0V电压,板上采用了开关升压、开关降压、电荷泵反压以及线性稳压四种不同的电源变换方式。
工作原理:
随着USB端口供电电流能力的提升(可以达到5V/750mA),多数的消费电子设备、学习系统、开发板乃至口袋仪器在使用电脑的USB端口进行数据通信的同时,还会用来给板卡供电。这些电子产品系统往往需要多组供电电压,而且每组供电电压对其性能的要求都不同。对于一个典型的模、数混合系统,一般以下的电压是最常用到的:
电路 | 供电电压 | 性能要求 | 产生方式 |
数字IO | 3.3V数字 | 电流较小 | 从输入端通过开关变换或LDO得到 |
数字内核 | 1.1V或1.2V数字 | 电流较大 | 从输入端或3.3V通过开关变换得到 |
运算放大器 | +5V模拟 | 电流较小 - 50mA,纹波很低 | 先将USB电压开关升压到5.2V,再通过LDO得到5V |
-5V模拟 | 电流很小 - 50mA,纹波很低 | 从LDO后的5V通过电荷泵得到或由5.2V通过电荷泵得到-5.2V再使用LDO得到-5V |
本模块的输入电压为USB端口的5V的直流电压,考虑到USB线的阻抗导致的压降(与板上所需的功耗有关),到达电路板上的直流电压会低于5V,有时会低至4.7V,为保证模拟电路需要的5V、-5V电压,需要先通过升压电路将通过USB送到板上的直流电压进行升压/稳压,得到5.5V(在300mA负载电流下超过使用的LDO需要的最低压差一般为100mV即可)的稳定直流电压,再通过LDO和电荷泵电路+LDO得到运算放大器需要的+/-5V。
在我们的模块化电路系统中,MCU或FPGA部分的内核电压不太确定,取决于芯片的工艺,有可能是1.8V、1.2V或1.1V甚至更低,并且为了降低走线带来的压降,内核电压的供电芯片最好放在内核的板上,根据实际使用的芯片的内核电压要求从3.3V通过开关降压(Buck)方式得到。因此,在我们的这个模块上,仅通过开关降压方式获得用于为数字电路供电的3.3V。
由于多个电路模块可能需要用到3.0V的模拟供电电压,比如MCU的模拟供电电压,串行DAC的基准电压以及可调直流偏移电路等,因此在这个板上通过LDO的方式从3.3V得到一路3.0V的直流电压,在其它电路模块使用该电压的时候,在其模块的电压输入端加上一个去耦电容以滤除电路走线带来的杂波。
变换拓扑
模块使用的器件
技术指标:
类型 | 电源变换及管理 |
应用 | 给板卡提供多路电压源并满足电路要求的电流和纹波性能 |
关键性能 | 多路、高效、低纹波 |
接口方式 | 6Pin 2mm间距磁吸连接器 |
板卡尺寸 | 60mm x 40mm |
输入电压 | 3.5V - 5.0V |
管脚命名:
说明 | 管脚名 | 管脚编号(左) | 管脚编号(右) | 管脚名 | 说明 |
供电电压 | Vcc | 1 | 1 | 3.3VD | 用于数字电路的3.3V |
- | - | 2 | 2 | GND | 接地 |
- | - | 3 | 3 | 3.0VA | 用于模拟电路的3.0V |
- | - | 4 | 4 | +5VA | 用于模拟电路的5.0V |
- | - | 5 | 5 | -5VA | 用于模拟电路的-5.0V |
接地 | GND | 6 | 6 | GND | 接地 |
板上设置和信号指示:
位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
D2 | 3.3V | - | 3.3V指示灯 |
D3 | 5.5V | - | 5.5V指示灯 |
D4 | 3.0V | - | 3.0V指示灯 |
D5 | +5V | - | +5V指示灯 |
D6 | -5V | - | -5V指示灯 |
电气指标:
描述 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 |
输入电压 | 3.5 | - | 5.0 | V |
供电电流 - 3.3V | 0 | - | 500 | mA |
供电电流 - 3.0V | 0 | - | 200 | mA |
供电电流 - +5V | 0 | - | 200 | mA |
供电电流 - -5V | 0 | - | 200 | mA |