基于RK3288核心板搭建一种Android+Qt最小系统【三】

一、 文章描述

本文主要粗略描述当前设计普通电子产品时，电源设计一些基本描述。文章主要以当前rk3288核心平台的电源设计为蓝本来描述普通电源设计的思路。

本文主要主要分为以下几个方面来描述：
 电源设计重要与否；
 电源设计的层次感；
 电源接口电源设计注意环节；
 电源节能管理；
 Rk3288平台的电源管理。

二、 电源设计重要与否

很多硬、底层驱动电子工程师设计功能性模块时，往往没有把电源想的那么重要，所以在设计功能模块时得心应手，但是拿到现场作为产品时，就。。。只能用“玄学”二字来解释现场的问题了。

（作者菌在描述当前文档或者后期软硬件文档时，谈到设计时，一直会强调功能模块和产品二字）

电源为电子生命之源。没有它，电子设计的模块都是一个垃圾不如的东西。它本来提供能量的，如同车之油和人之粮食。如果这个能源不干净，不卫生，也会如机车一样，呈现能量不足，发动机损伤大；如人之胃，呈现胃痛，胃酸，胃胀。额。。跑题很多。。。

言归正传，假设电源波动幅度大，我们的电子产品要5v才能工作，且供电电压宽度在4.5v—5.5v之间，那么如果我们电源上下波动幅度大（即纹波），那么在波动最低值低至3v以下时，怎么办？

社会中，由于研发时，大多数取电的地方是电源设备供电，这种地方用的是民电，信号质量相对较好，经过供电设备处理后，效果更好了，所以在研发实验室中很多功能很好，用示波器抓取的通信，采样信号都很理想，还原度高；而一旦拿到现场，由于现场一般用的工业用电或者商业用电，周围用的设备对电网污染严重，最终供给功能模块的电信号不是那么干净，如纹波太大，谐波太大（影响系统时钟，高速输送信号，冲击设备等），最终导致了模块的肚子疼，额。。设备运行异常，如重启，采样信号不准，音频信号噪音台中，通信数据误判等。

所以一个优良的电源设计，是模块运行是否正常的基础。

三、 电源设计的层次感

当前普通硬件工程师最后一块私有地应该就是电源了。当前社会进步快，一个个模块在过去都是复杂电路设计，而现在却变成了一个个芯片。只需要将对应总线连接在一起，就是实现了一个产品功能的雏形。

用一个朋友的话说，当前大多数硬件干的的活是集成的活，具体的模块照搬官方网站即可。其实他忽视了一个硬件工程师最基本的工作，那就是硬件产品的电源框架的设计。

因为每个产品需求可拆分各个功能模块，每个功能模块需求，对应对应的各个硬件模块，而每个模块又对应一定的硬件实现芯片，这些芯片每个电压不同，需要硬件工程师去设计提供。

电源的污染信号主要来源于用户，而不是电网本身。实际在工业用电中，对于各个用电公司，总的对外功率因数有个要求。而工厂或者公司由于各个特殊应用，如动力设备（电机），这些设备冲击大，感性系数高，如果直接连接到电网中，会立刻拉低整个电网的信号质量波动，所以在总电源接口处，工厂总有优化（功率因数补偿和谐波处理）。一般而言，对于公司内部每个厂或者流水线都是有一套独立的变压器，然后分成1到几个电力调度室，在每个调度室又有各个电源开关控制柜，而到了电源开关控制柜，又控制着某个区域的负载。这样最大的好处就是独立，一个设备有问题，直接切断此电源，不影响其他设备工作。同样那个设备干扰太大，则可以独立在其附近加上大电容，电感等来做对应保护和防护。

对于电子产品而言，实际也是如此操作。一个产品没有办法要求外面输出的电源信号非常好，其内部各个模块芯片电压也没有办法统一，无论是电源电压，还是对应的电源质量需求。如你adc的参考电源和普通gpio的电源需求就不一样。同时各个芯片模块还会污染到总电源，如射频的电源和通信的电源在一起，就会出现信号扰动，等等。

我在面试一些硬件求职者时候，往往会问面试者一个问题：“你设计的硬件框架总线是怎么考虑的？以什么为纲领贯穿整个硬件设计的环节，可以基于此有步骤的将方案划分各个模块，又有计划的实现各个模块（其实软件也是这样问的，但是应对策略不一样）”。其实对于硬件一个贯穿整个产品的应该只有两个东西，一个是电源，一个是接口时序（这个是逻辑上面的）。

每个电子硬件芯片对于对应的电压，信号质量要求不一样，能不混用就不混，保证每个芯片电源独立，有效阻断各个电源的干扰。我们很好的规划好电源设计模块，可以有效的在研发设计时候，逐个设计各个模块，调试各个模块。

有效做到各个硬件模块独立，不影响其它模块，不受其他模块影响。同时由于电源对压值需求不一样，那么根据电路需求，有效的选择电源模块，让电压逐级降级，形成一套树形的结构，即树桩（总电压）-树杈（模拟，数字，射频分支总电源等）->树枝（各个电子模块），这是粗略的分配，具体就产品需求。

当然不能也不能每个芯片就有一套独立的电源供电部分，这样会带来成本问题，功耗问题，以及尺寸方面的挑战。比如一些GPIO的驱动电源，一些通信口的电源，他们有些电源需求相近，彼此之间干扰相对较少的，就可以用同类电源了。

电源有了层次感，并在对应的电源接口做必要的处理，如加磁珠，tvs管，压敏电阻，电容，电感等就能做到外面的电源扰动影响不了本地，本地的电源污染出不了电源。同时也能保证电路的独立性。

总结独立电源优势如下：
 不受外部电子电源干扰；
 不影响产品其他电源；
 拆除后，能够独立移植，不焊接不影响其他电路；
 方便各个功能调试，逐级加载电源；
 能够有效的控制功耗（详见后面章节）。

如上图所示，任何一个终端电子芯片剥离，不影响其他模块电路。谁的问题谁处理，各负其责，贯彻嵌入式的精髓之一—独立性。

四、 电源接口电源设计注意环节

前文已述，硬件最主要的工作是集成。对于产品具体某个模块，它对电源唯一关注的是接口部分的电源是否满足模块的需要。所以在各个模块电源接口部分，设计合理，可以有效的隔离各个电路部分相互的干扰剔除“门外”。

对于每个电源，为了去除电源输入端的扰动，必须加一定容量的电容，抚平电源的扰动，在冲击力大的场合要加磁珠和电感；而对于那些能被静电或者雷击，外在动力设备大电压冲击的电源端口，还需要加载对应tvs管，稳压二极管等。

内部电路的电源输入端尽量又开关控制，可以有效的切除模块对原产品电路的影响。避免调试时，影响误判。同时也保证了在模块不使用时，控制电源通断，达到节能。

而它的输出端，为了保证输出信号扰动小，要又一定的大电容做容量池，防止由于突然下面设备负载变动，临时电源满足不了，如下一级电源的容性系数相对大，变动时，临时符合需求较大；同时考虑到电容本身感性系数大以及一些一些电源为dcdc，谐波较大，所以还要一定的微小电容去除谐波。

五、 电源节能管理

如前面那张图，可以看到具体到每个电子设备模块时候，都有一个开关。在设备降低功耗方面，最有效的操作就是降低使用频率。实际降频也是降低对应电子模块的使用频率。本文谈论电源方面，节能当然从电源方面着手，那么就是合理的控制设备电源通断来实现对应的电源管理。

以往设备中，一般有一个低功耗的处理器，它一般在关机时开启工作，一旦需求开机时，有效的做到唤醒各个模块。

同时一个产品有一部分逻辑去管理各个模块电源，一旦某个模块长时间不应用，或者当前停用，一般会断电，或者将频率降到最低，具体业务要根据具体需求。

六、 RK3288主要电源管理部分

本次设计核心板时，主要电源采用PIC电源管理芯片。电源管理芯片就是由于早期各个模块的电源都是用户通过mos管使能的方式，开启一个个的DC/DC或者ldo这种电源芯片，分布上电，有效的管控电源，达到使用和节能的目的；后来一些芯片公司根据自己的处理器的应用，就配套做了电源管理芯片，这种芯片就是将当前处理器可能用到的各个电源进行了一个汇总，然后封装成一个芯片，由i2c通信的方式进行管理，可以控制各个电源的通道开关和对应DC/DC通道的电压值。

本次选择的电源芯片为rk配套的RK808。这款芯片将模块的开机、复位、各个模块的电源模块。同时RK3288的芯片和其他嵌入式的CPU一样，深入发挥嵌入式的精髓，将各个功能模块独立。如HDMI的电源单独供电，USB口的电源单独供电，语音接口单独供电，lcd屏数据接口单独供电等。
软件工程师，可以通过i2c总线来管控各个模块的电源输出。具体的电路如下：

当前的平台采用的电源是瑞星微的电源管理芯片RK808，相关细节见datasheet。同其他电源管理芯片一样，也是将电源管理按照用途分为了3类。系统管理类，DC/DC大电流类，局部电源LDO类。

其中系统管理类主要是和处理器响应的部分，负责处理器的软关机，软复位，上电开机的工作。此模块有一个从不掉电的电源，即rtc电源，负责开机关机部分。

DC/DC类用于将外部电源根据需求，生成一系列的驱动能力大的电源，具体电源值可以配置；
LDO电源部分是将DC/DC模块部分的电源生成具体某些终端的电源，如语音，ram，rom等。
实际电源驱动如下：

由于RK3288的cpu各个数据端口都是电源独立，需要外部供电，如果将来扩展底板时，要用到对应端口，需要当前端口通电，则默认核心平台这些端口的电压已经分配，软件工程师可以通过I2C来管理不用端口电源电压。

七、 总结

上文只是就当前电路的电源设计风格进行描述，也对当前已经绘制完毕的rk808进行简单描述。至于其他电路的其他具体电源部分，在描述到对应硬件模块时具体描述，这里不再累述。

原作者：匠心源