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嵌入式硬件设计

news 2025/9/15 5:15:38

嵌入式系统电源管理

嵌入式电源系统是一种集成于嵌入式设备内部，用于提供直流基础电能的关键供电设备。其设计注重安全性、可靠性与高性能，通常以交流市电作为输入，经过变换与稳压处理后，输出常见的直流电压（如12V、5V、3.3V等），属于典型的二次电源设备。交流电源是嵌入式系统中重要的电能来源之一，系统所需的电能通常直接或间接由该类电源提供。其工作流程一般是将市电接入后，通过一系列电气变换，将高压交流电转换为低压直流电，以满足嵌入式设备的供电需求。

此外，电池也是许多嵌入式系统的直接供电电源，广泛应用于手机、传感器等便携或低功耗设备中。这类设备通常具有功耗较低、需长期连续工作的特点，因此对系统的功耗控制有较为严格的要求。在不同应用场景中，可能会通过增加电池容量来延长设备的工作时间。

稳压器是在嵌入式系统中常与交流电源或电池配合使用的关键元器件。由于嵌入式设备常需多种电压等级，稳压器能够将输入电压稳定降低至系统所需的特定范围，确保各部分电路稳定可靠地运行。

嵌入式系统通常对功耗控制有严格要求，尤其是在采用电池供电且需长期无人值守运行的场景中，功耗问题尤为关键。在电池容量有限或设备规模较大的应用中，系统功耗的优化更是至关重要。

为降低功耗，大多数嵌入式系统都具备基础的电源管理功能，主要包括以下几个方面：

（1）系统上电行为管理
嵌入式系统组件通常需在系统正常启动后才能进入低功耗模式，因此上电阶段往往以较高功率运行。然而，在该阶段并非所有设备都需要立即工作，因此必须对其功耗进行有效管理，以降低启动过程中的总能耗。
（2）空闲模式管理
CMOS 电路的主要功耗来源于时钟信号切换。因此，在不需要某些模块工作时，可通过主处理器发出“睡眠”指令，使其进入低功耗空闲状态。该状态通常保留外部事件唤醒功能，当发生特定触发事件时，相关元器件可被重新激活。
（3）断电管理
即使在低功耗模式下，由于存在逆向偏压泄露，电路元器件仍会消耗一定电能。对于在低功耗模式下能耗仍较高或长期闲置的模块，可采取完全断电的方式，以进一步减少功耗。
（4）电压与频率调节
系统的有效功率与切换频率呈线性关系，而与电源电压的平方成正比。仅依靠降低运行频率或频繁进入空闲模式并不能显著节能。因此，一种更为有效的方式是动态调整电压和频率，通过降低电压来实现更显著的功率节约。

在电源生成电路中，为阻隔模拟地与数字地之间的相互干扰，通常将输入的220V交流电压转换为两路独立的直流电源，分别用于为模拟电路和数字电路供电。以本设计为例，系统需提供12V、24V、5V、8V、-8V及3.3V等多种电压，其对应的电源管理系统拓扑结构如下图所示。

具体实现如下：

①12V转8V电路示意图

+12V转+8V采用LM7808三端集成稳压器实现。该器件能够稳定地将输入电压降至+8V，使用时需确保输入为不低于12V的直流电源，且输入电压应高于输出电压一定压差，才能实现稳定的8V输出。在设计过程中，需注意控制负载电流，避免超载运行。
电路在输入和输出端均配有电容，用于滤波以平滑电压并增强抗干扰能力。输出端可并联一个220μF/25V的电解电容，其自谐频率较低，能够发挥储能和滤波作用，有效抑制低频干扰。然而，由于大容量电解电容本身存在一定电感特性，对高频信号和脉冲干扰的滤除效果有限。因此，在实际设计中通常还需并联一个或多个小容值陶瓷电容，以进一步提升对高频干扰的抑制能力。

②12V转-8V电路示意图

+12V转-8V 电路采用NE555芯片实现。NE555是一款集成了模拟与逻辑功能的经典8引脚集成电路，最初由Signetics公司于1971年推出，是当时极少数兼具高速性能和商业化应用的芯片之一。在之后的四十多年中，该芯片得到了广泛应用，并衍生出多种电路设计。随后，基于CMOS技术版本的芯片（如Motorola的MC1455）逐渐普及，尽管原规格的NE555仍在持续供应。新型号芯片虽然在部分性能上有所优化，但其引脚功能与原有型号完全兼容，因此至今仍可直接替换使用，应用范围十分广泛。
在其设计中，当NE555的第三引脚输出高电平，通过D1向C1充电，电压可达11V，当NE555输出为低电平时，D1被C2反偏截至。C2向C3转移电荷，重复多次后C3电压达8V，相对地线则输出为-8V。

③12V转5V电路示意图

主芯片采用开关型稳压芯片LM2596，其内部有固定频率的振荡器及基准稳压器，并且具备全面的保护电路、热关断电路和电流限制等。LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，可以输出3A的驱动电流，具有较好的线性和负载调节特性。固定的输出电压有：[3.3V,5V,12V]，可调版本可以输出37V以下的任意电压。

④5V转3.3V示意图