第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二

前言

我们 上一节分析了电压比较器,了解了黑盒与输入输出的概念,本节主要内容对各部分元件进行辨识并了解其基本工作原理,这个系列直到现在才去学习基本的电子元件,就是为了避免陷入细节不能自拔。

15.1 主电源通路

还是从整体来看,如图:

第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第1张图片
UnoABC整图-USBVCC
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第2张图片
UnoABC整图-USBVCC-zoom
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第3张图片
B区图
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第4张图片
5V3V3输出
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5V供电3D图高亮
15.1.1 +5V 通路部分
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第6张图片
1117-5V

初学者可能存在的疑问?

  1. NCP1117是什么?
  2. NCP1117为什么完整写法是NCP1117ST50T3G?
  3. LDO是什么?
  4. 输入电压范围是多少?
  5. 输入电压怎样确定的?
  6. 为什么输出是+5V,而不是其他电压?
  7. 输出电流是怎样确定的?
  8. 其他疑问请在讨论区列出,讨论解决。

下面我们一一解决这些问题

1. NCP1117是什么?

这个元件因为是图示中核心主体部分,所以我们先来认识它。
我们研究电路时,首先寻找 核心模块、核心元件,这样再去推导或者依照参考电路设计事半功倍。
现在有问题就要求助于搜索引擎,谷歌、必应、百度...

这样搜索(其他搜索引擎类似):

打开 www.bing.com,输入ncp1117 点击搜索按钮,

第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第7张图片
bing-1117

点第一个链接,看看它的数据表,
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP1117-D.PDF

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NCP1117-简介

到了这一步实际我们就大体知道NCP1117是什么了,英文不好?
那就装个翻译插件、翻译软件。
不知道那个好用?问知乎。不知道怎么装上?问搜索引擎。


浏览器翻译-知乎

我们从NCP1117 数据表可以获取大量的信息。
关键几个知道了它是LDO(低压差线性稳压器,low dropout regulator),
对知乎的好奇宝宝来说,
什么是低压差? 什么是线性?什么是稳压器?

LDO和开关电源IC(DCDC/ACDC)两种器件用多少篇幅写都值得,目前电子设备中这两个器件基本上必备(大部分存在至少一种)。

先就B区部分NCP1117 这种LDO说明,开关电源IC后续碰到再说明,前期实际已经说过一个(TPS54231)。

曾经说过,讲太深了,爱因斯坦大爷也解决不了。我们就肤浅的去理解。暂时够用就好。厂家卖这个电子元器件一定要吹其能力的,不然怎么好卖。很多文章不是说了么,题目要起好,第一自然段要写的吸引人,例如UC的震惊写法:)

第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第9张图片
LDO强调

Low-Dropout Positive Fixed and Adjustable Voltage Regulators(低压差正向线性稳压器)

低压差:一种能量只要产生,不用必然会被消耗掉(特例有但我不知道),LDO的特性是输入电压减除输出电压剩余的这部分电压会消耗在本体上,所以厂家一再强调低压差,就是为了减少能耗,假设压差大了,在本体消耗过大,就会发热严重,另外会把许多能量浪费掉。用电池供电的话,电池将会很快耗光。

所以LDO设计时及时前端可以允许很高的电压,但是一般最好要求输入电压与输出电压不要相差太大,比芯片规定的压差稍高即可。这样能够显著的降低功耗。

LDO 有两类正向和反向,这个暂时先不管它,一般用不到这里。

线性稳压器,稳压器的线性实际利用了晶体管的线性区来工作的,这个线性是这样理解的,就是输出电压输出电流成正比,我们知道晶体管可以工作在三个区域,一个是截止区,一个是饱和区,另外一个就是放大区(放大区的一部分是线性区),线性稳压器内部电路设定了很多限制,让其工作在线性区。芯片(集成电路/IC)可不是单一的元件,而是很小的体积内集成了非常多的元件,内部也是电路的组合。

稳压器,输出电压是稳定的(例如这个NCP1117输出电压精度能达到 +-1%),不过记得任何事都不绝对,一定是有条件的,例如它在0~50℃,单超过85℃就不一定。

我们要多看看数据表(DATASHEET),里面隐藏了大量的知识,包括工作条件、应用范围、电路设计参考、PCB设计参考、尺寸封装、包装、原理等等。

学习电子元器件知识时,可以找到一种常用的,然后找到其数据表(如果英文不好可以找中文的,同类器件很多,一定有)然后精研一两款元件就可以了。

永远记得任何东西生存是有条件的,又让马儿跑,还不给吃草,当然不干活了:)

所以确认其工作条件非常重要。

一个复杂物体/系统,如果不理解它,以人来类比就会有意想不到的收货。

到这里第三个问题也基本上解决了(什么是LDO)。

2. NCP1117为什么完整写法是NCP1117ST50T3G?

元件规格型号的每一个字母都有其特定的含义。
命名的原则其实也在数据表中有体现。
实际就是将电子元件按照特性分成不同的代码串用作区分。


第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第10张图片
NCP1117
4. 输入电压范围是多少?

基本上所有的DCDC(直流变直流)或者LDO(低压差线性稳压器)这两种集成电路,输入都是有一定范围的,很多初学者容易理解成前面输入一个固定的电压,输出一个固定的升高或降低的电压。
实际上前端输入是一个相对较宽的范围。

例如一般输出是3.3V的LDO(1117-3.3),前端可以输入 4V~12V左右;1117其实是一个系列,很多厂家生产,1117-3.3输出3.3V,1117-5.0 输出5V,这种正电压的LDO一般输入大于输出。前面说过LDO 一部分电压会消耗在集成电路本身,所以输出比输入小太多,这个LDO会发热严重,所以设计时,一般3.3V输出,那么5V~7V 比较合理。不要差太多。

NCP1117ST50T3G 最高可以输入20V,输出5V。


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NCP1117输入电压范围png

那么最小输入为多少?


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NCP1117-5 输入最小

上图也看出了第7个问题 (7. 输出电流是怎样确定的?)
0~800mA

5. 输入电压怎样确定的?

集成电路厂家,根据内部电路参数、特性确定输入输出电压,生产出样品,还要经过多次检测和筛选,有成品率的。
不符合输入范围的芯片会废弃不用。筛出的良品出货。

6. 为什么输出是+5V,而不是其他电压?

NCP1117 是一系列产品,可以输出其他电压,但是NCP1117ST50T3G这种是固定输出5V的。

小结:

从上几个问题我们可以看出,学习参考他人的一个电路,要抓住核心部件,集成电路基本能确定就是核心,学习集成电路的应用就需要多看数据表,大部分信息能在数据表中找到。作为应用工程师一定要有熟练阅读理解DATASHEET(数据表)的能力。

电路是极其灵活又极其不灵活的!

灵活是你可以用任何电子元件随意的排列组合,不灵活是要达到最佳效果,可能是原厂家的推荐电路更靠谱。

我们在学习电路原理时,要把应试教育的一套学习方式扔掉,很多实现不只是一种方式。用这个元件也行,用哪个也可以。

工作后,你的领导的要求是,设计个电路,把这几个灯点亮、按照一定频率闪烁。而不是按照某个固定的元件组合教你实现它。

给你个目标,中间过程全靠自己,我们上学阶段呢?老师们从头到尾,从中间过程到结果,都给列的清清楚楚,然后我们照着拷贝。

这与记住复制粘贴的机器有何区别?机器一定比人做的好,

详细说明下主电源5V通路
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第13张图片
B区图
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第14张图片
ncp1117 元件讲解

NCP1117 前端有个D1 二极管,我们第一节就说过,二极管是单向导电的,为什么这里接这么个二极管?是为了防止反接的,当前端输入是一个范围,不在乎0.7V左右的二极管的压降,那么接上这个二极管非常好,当你把供电端电源和GND接反了,这个供电通路不通了(0V加在二极管正极)有效的保护了电路。

PC1,PC2 两个电容,储能的(存水的)是为了保证后续电路充足的电流,当后端电路工作时,不断的从电源这里抽水(吸取电流),如果输入接口电源不稳定,那么后端电路可能出错,建了两个蓄水池,保持电流恒定和充足。

C2 这个100nf电容就非常重要了,宏观上(也就是我们眼能看到的)大部分的物体都是低速的,高度的我们也看不清楚:)但是电磁波是看不见和高速的,我们生活在地球上,电力改变了我们的生活,但是很多供电系统中,存在一种脉冲群干扰,实际就是一簇簇高速的水流,这种水流和我们看到的低速的水流(电流)不一样,会突然来了爆发一下,大家可以想象成燃放的烟火,但是这个烟火会对电路有影响,例如一个单片机的中断引脚(此名词暂时挂着),就会不断的接收到信号,引发中断,就像是你正要睡觉,雨水就敲窗户,一晚上就不用睡觉了,这个时候,你拿一块大海绵盖到窗户上,雨水就被海绵吸收,声音也听不到了,可以睡个好觉。这些雨水就是干扰信号。这个海绵就是C1,他的作用就是吸收干扰信号,把这个信号泄放到地(GND)。

所以在每个芯片的供电端,都要接一个100nf电容,这是设计时的基本操作,并且画pcb时,一定记得,电源线先要经过这个电容在到单片机的电源引脚,而不是先经过电源引脚再接到电容上,虽然在一根线上,但是先后顺序不对,这个抗干扰措施就失效或者效果不明显。

这个时候有同学又有疑问了,为什么是100nf的电容,而不是1nf 1000nf,这是因为,雨水的频率是正好大部分能够被100nf这种海绵吸收,你的海绵太硬或太软吸收效果就不好,声音还是能听到。

我们所处的环境就是存在大量的这种干扰,正好被100nf电容吸收。

实际更严苛的环境,例如航空航天、安全级别高的环境,实际上是接上一串电容的,1uf 100nf 10nf 1nf 四个并联使用或者再严格点中间再串上个电感,就是所谓的π型滤波。两边各一个电容到GND,中间串电感,正好像π形状。

为了滤除电源干扰无所不用其极。电源是所有设备能够工作的源头发动机,这个电源有问题,电路引发的故障很多。所以还是那句老话,电路有问题先修电源。

第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第15张图片
5V电源指示电路

这个图主电源电源指示灯,5V有了那么Green (绿色)发光二极管就亮了。

发光二极管是二极管的PN结上有一种发光物质,有了一定的电流就能驱动其发出一定颜色的光。具体什么材料就不说了,不同的材料发不同的光。发光二极管就不上图了吧!各位搜搜。

发光二极管是电流驱动型器件,也就是它需要一定电流才能发光,一般经验值3ma以上就能点亮,本身我们知道二极管有个压降,想想我们学过的二极管测量法就是量的这个压降。

首先二极管两端施加的电压要超过这个压降,它才可能发光,刚才说了还必须有电流,那么直接接上5V 3V 发光二极管因为电流太大就损坏了,所以串上个电阻。这个电路并着两个电阻,我们初中学过,并联电阻减小,两个1k的电阻并联就是500欧姆。

5÷500 = 0.01A = 10ma
所以有了5V 发光二极管就点亮了。

这里有很多人又有了疑问,我这里不是5V 而是200V呢?
大家看看身边的插排,上面有个发光二极管就是接的220V,但是串的电阻非常大(电阻怎么算 220÷0.01 =22k) ,这样也是可以发光的,并且不损坏,实际上大家经常碰到排插灯坏了,两个原因220V我们的交流电是不稳定的有时候远远超过这个,所以其实这个发光二极管要承受忽高忽低的电压,另外电阻还是小了,一般我们在设计电路是,以发光二极管发光为准,电阻越大越好,电流越小越好,寿命会比较长,发光二极管损坏的主要原因是发热,也就是电流大,比如说我们算出来22K,实际我一般上220K电阻,让二极管有不是很亮的发光即可,当然家用产品还得炫目,所以有些设计师就不考虑你的指示灯用多久了,反正当时买来看着灯挺漂亮的。谁叫咱们都是外观党呢?另外大家一般忍受力也挺强,反正不影响使用,也就不在乎了。

但是身为设计师,要明白什么是可靠性,什么是折中方案,有些可以妥协,但涉及到人身安全的设计一定要小心谨慎,实际一个指示灯可能引发触电事故,还是要慎重。

15.2 USB电源切换与3.3V电路

继续电源部分说明:
回溯5V电源主通路


第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第16张图片
1117-5V

下面是5V、3.3V的通路,其中3.3V给外部模块供电,5V给UNO Rev3 C区和A区供电。

第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第17张图片
5V3V3通路
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第18张图片
切换与运放

VIN 二极管D1后端的一段电路输出,也就是NCP1117的输入端。

插上插座PWRIN则一直有+5V主供电,当接上USBVCC(USB线)如果两边同时给+5V后端电路供电,理论上,PWRIN 大于6.6V,T1这个mosfet会关断,usb这个供电会被切断,如果<6.6V,两条通路同时输出5V,5V经过LP2985 这个带开关的LDO产生一个3.3V电压给插座,如果外围模块有用这个电的,可以从这里取电。

当没有PWRIN供电,只有USB供电,因为PWRIN 为0V,T1打开,USB供电。(可以看前一节比较器)。

这一段切换,理论推导的,大家可以用proteus仿真确认下。

实际上,针对这个切换电路,可以考虑下,什么叫做人之常情,通用的、简洁的理解,当usb供电时,我为什么还需要外部再给一个另外单独的供电,直接用usb供电就行,所以仅有usb供电时,那么T1必然是打开的。

15.3 测试电路 SCK 跟随器类型的运放电路

第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第19张图片
sckpng
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第20张图片
sck2png
第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二_第21张图片
sck3

sck 我们看到这个名称的线(网络线)接到了很多地方,它是arduino专门保留的测试引脚,烧写完程序,有个黄色发光二极管亮起了,A区核心单片机程序写好了。

sck U5.2 运放是一个跟随器的接法,跟随器是为了建立一个稳定的通道。Yellow(黄色发光二极管)跟随sck的电压高低变化。
设定sck高电平,就发光,低电平就灭掉。

总结:

电源部分基本讲完,还是过于简略,先建立一个大体的印象,这一节我们重申了Datasheet的重要性,核心部件的辨识,了解了发光二极管和切换电路。

学习电子知识最快的方式是在电路中认识元器件,而不是割裂开来,仅仅去学习电子元件的原理。实际上一个电子元件在不同电路中的作用是不同的。全靠猜看不懂,那么就proteus(或者其他仿真工具)仿真看看,要么搭建实际电路用示波器、万用表等量测。先整体上识别,再分析细节,学起来事半功倍。

下节转入C区学习通讯电路部分。

本节结束。

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