产品电源设计过程：系统级电源框图设计、产品功能框图设计、各电源电压的功耗估算、电源框图设计、处理器电源上电时序设计。
产品电源设计过程
系统级电源框图设计
系统级的电源设计，主要从整个系统的功能、产品的应用场合、开发周期、性价比等整体出发，综合评估系统前级、板内功能模块、对外供电接口、通讯接口、数据采集接口等对电源的需求及相应需达到的防护等级。在实际的工程应用中，市场机会稍纵即逝，往往留给产品的开发周期都很短，从产品的可靠性出发，系统级的电源设计，通常都尽量采用成熟的模块化电源来设计，降低风险，使产品尽早面世，占领市场。
图6.4 工控系统应用框图 以如图6.10所示的工控系统应用为例进行说明，系统较为复杂，包括了多种信号的数据采集、CAN、RS-485等现场总线、板内要求双电源供电的运放、电机驱动等多种功能。每个功能模块，对电源的要求都有所不同，且整个系统对EMS的要求达到工业四级。
产品功能框图设计
以一个工业现场使用的数据集中器为例，该系统使用M283邮票孔核心板，系统采用12V~24V供电，需要隔离的RS485，隔离CAN总线通信，画出系统框图，如图6.2所示。
图6.5 数据集中器系统框图6.5.3
各电源电压的功耗估算
客户需求和功能框图确定以后。按照图6.2将对各器件的供电分类，计算出各电压的电流。
表6.1 电源电流计算表模板
以表6.1为模板，列出系统中用到几种电压，作为列标题。将耗电模块作为行标题，将系统中不耗电的部分去除，例如DB9插座，RJ45插座，JTAG接口等连接器。使用Excel表格建立如表6.2所示的表格，以方便电流的计算和排序。
以集中器的设计为例，各模块的电流消耗主要以查询数据手册为准，同时加以估算的手段进行填表。在绘制PCB时，PCB设计人员就可以根据模块消耗的电流，对大功率的模块进行特别关注。
表6.2 电源电流计算表
1. 核心板消耗电流的估算
查询《MiniARM M28A 数据手册V1.05.pdf》第“3.1 电源静态参数”章节，i.MX283核心板可以使用5V或4.2V两种方式供电。厂商建议采用4.2V供电，供电电流典型值为100mA，将100mA填入到表6.2中。手册并未给出最小值和最大值，因此需要根据经验填写最大值，可不填写最小值。 注意：核心板电源消耗较为复杂，模块消耗电流最大值以典型值的5倍左右计算。
2. 液晶屏消耗电流的估算
M283-128LI核心板的LCD接口设计可以外接4.3寸、7寸、8寸等多种尺寸的TFT模块。因此在计算LCD接口的电流时要考虑多种屏的兼容性。
对比《LCD_TM070RDH12_24B数据手册 V1.01.pdf》和《TFT-4.3A 数据手册 V1.00.pdf》对于5V的电流消耗，4.3寸液晶屏的典型值为30mA，最大值为100mA；7寸液晶屏的典型值为580mA，没有给出最大值。因此在LCD接口一行对应5V一列，填写典型值为580mA。
液晶屏对电源的消耗主要用在背光上面，最大电流值的估算以经验估算为典型值的1.5倍~2倍。集中器主板的LCD接口不仅提供了5V电源，同时也提供了3.3V的电源，查看《TM070RDH12》的手册“4.1 Recommended Operating Condition”章节给出了Ivcc的最大值为10mA，并未给出典型值。因此在LCD接口一行对应3.3V一列，填写最大值为10mA。
3. 按键消耗电流的估算
集中器主板采用普通的按键，作为无源器件，按键本身可以通过很大的电流，为了确保不烧坏CPU的IO口，必须对按键进行电流限制。以IO的电压值为0~3.3V，按键的上拉电阻选值10K，因此按键本身消耗的电流仅0.3mA左右。按键数量为3个，因此在按键一行对应3.3V一列，填写典型值为1mA。
4. GPIO消耗电流的估算
集中器主板为用户预留40个GPIO。对于ARM7内核以上的处理器，IO口的灌电流和拉电流能力通常不超过4mA。在设计IO口驱动的电流时，用户亦需要将电流限制在2mA以下。在GPIO一行对应3.3V一列，填写典型值为80mA，最大值为160mA。
5. 蜂鸣器消耗电流的估算
工作在3V~5V的蜂鸣器，不同功率的蜂鸣器消耗电流是10mA~80mA ，集中器主板采用AX-1203-LF，查询蜂鸣器厂家提供的数据手册，在蜂鸣器一行对应3.3V一列，填写典型值为15mA，最大值为45mA。
6. USB HOST消耗电流的估算
USB HOST接口为插入的U盘，鼠标等提供电流。U盘、鼠标等设备消耗电流在200mA左右，根据USB2.0的规范，USB HOST接口提供最大电流不超过500mA。在USB HOST一行对应5.0V一列，填写典型值为200mA，最大值为500mA。
7. USB OTG消耗电流的估算
USB OTG接口既可以作为Device设备，又可以作为USB HOST设备，在USB OTG一行对应5.0V一列，填写典型值为200mA，最大值为500mA。
8. SP3232消耗电流的估算
SP3232作为TTL和RS232电平转换器，采用3.3V供电。查看SP3232的数据手册，仅给出了极限工作电流±100mA，正常工作不带负载时最大电流为1mA，输出短路电流最大值为±60mA和±100mA， SP3232的电流估算会不非常准。在SP3232一行对应3.3V一列，填写典型值为1mA，最大值为100mA。
9. DP83848消耗电流的估算
DP83848作为PHY芯片连接CPU和RJ45插座。对以太网的信号进行转换。查看DP83848的数据手册，100M全双工模式下的典型电流为81mA，10M全双工模式下的典型电流为92mA。最大工作电流按照1.5倍计算为138mA。在DP83848一行对应3.3V一列，填写典型值为92mA，最大值为138mA。
10. TF卡消耗电流的估算
TF卡接口是标准的SDIO接口，查询SD-Memory Card Specifications TF卡最大消耗电流100mA，典型工作电流为55mA。
11. RSM3485消耗电流的估算
RSM3485隔离485收发器是致远电子设计的小体积、高性能的隔离收发器，可以完美取代传统的分立隔离方案。查询RSM3485的datasheet。静态电流小于40mA，发送电流小于100mA。
12. CTM8251消耗电流的估算
CTM8251隔离CAN收发器是致远电子设计的小体积、高性能的隔离收发器。查询CTM8251的datasheet。静态电流小于30mA，发送电流小于55mA。
注意：表6.2的右下角有一组数字“1352”，“2979”为折算为5V后的电流累加，整板的典型电流估算值为1.35A，最大电流为2.9A。6.5.4
电源框图设计
集中器主板电源框图设计是将图6.1和表6.2整合在一起，这样能够清晰表达整板电源分布的图。是PCB电源布线的抽象设计。
图6.6 电源框图设计6.5.5
处理器电源上电时序设计
由于处理器速度越来越快、功耗要求越来越低，不同的外设需要不同的电源域进行管理，因此常见的电源域有3.3V，1.8V，1.5V，1.2V，1.1V，0.9V。由于i.MX28x系列处理器内部集成了上电时序控制，因此不需要用户再设计电源时序。为了方便介绍，引用某半导体的一个Cortex-A8处理器的上电时序作为介绍上电时序的对象，如图6.5所示。
图6.7 一个处理器的上电时序
多电源处理器域出现的时候，由于缺乏设计经验，不少工程师设计出的产品要么不工作、要么工作不稳定。IC厂家看到了这种现象，推出了相应的电源时序管理IC，典型的就有ADI公司，但是这些时序控制IC提供的功能有限，与此同时还诞生了一些IC公司专门设计了电源管理芯片PMU。后来处理器厂商在推广处理器时，配套提供相对应的PMU， 推广CPU+PMU方案了。CPU+PMU的方案不仅解决了硬件工程师头痛的问题，而且有效地降低了系统的体积和功耗。
原厂配套的PMU一般价格比较贵，而且PMU的主要作用是动态功耗调整，上电时序只是一个小的功能。在一些并不需要动态功耗控制的应用，可以采用低成本分立元件搭建的RC延时电路 + DC-DC转换器的方法亦可以实现电源时序的控制。
根据图6.5将不同电压的电源、使能信号转换为如图6.6所示的上电时序，可以更加直观地从电压等级以及时间上看出时序的要求。
图6.8 转换后的上电时序
典型的RC延时电路，如图6.7所示。
图6.9 随供电电源延时图
6.10 随使能信号和电源信号信号延时
RC延时电路采用了电容充放电的原理,电容端电压Vc初始时刻为0V，DC-DC使能端电压要大于0.7V。根据电容充电公式
图6.7中的上电延时时间为0.7ms。假定延时时间t，电容C，使能电压 ，计算R的值为：
。若延时要求为10us，使能电压为0.7V，电容选用0.01uF，计算出R值为6.6KΩ，选择6.8KΩ即可。
注意：一些厂商的ARM核心板要求底板的电源延迟上电，具体参照厂商数据手册。
