Как читать силовые деревья Arduino
Узнайте, как читать силовые деревья Arduino и создавать собственные.
Автор: Ali Jahangiri
Последнее обновление: 11.02.2022
Почему мы предоставляем силовое дерево?
Arduino предлагает широкий спектр плат, шилдов и несущих плат, каждая из которых разработана для удовлетворения конкретных потребностей. Это варьируется от классического Arduino UNO, служащего стандартной точкой входа в мир Arduino, до Arduino Portenta H7, включающего функции для удовлетворения требований промышленного уровня. Система питания таким образом спроектирована с учётом интересов вас — конечных пользователей наших продуктов. Чтобы помочь пользователям — как новичкам, так и опытным — лучше понять структуру питания своей платы, мы разработали графические силовые деревья, обеспечивающие понимание высокоуровневой архитектуры, которые вы можете увидеть в соответствующих технических описаниях. В этой статье мы рассмотрим концепцию силовых деревьев и проведём вас через показательный пример. Мы приветствуем любые отзывы и комментарии от сообщества Arduino для дальнейшего улучшения силовых деревьев.
Взгляд на силовое дерево Portenta H7
Давайте вместе рассмотрим одно из наших силовых деревьев. Portenta H7 стал одним из первых продуктов, которому было предоставлено графическое силовое дерево.
Слева вы увидите три серых блока. Каждый из них представляет источник входного напряжения. В случае Arduino Portenta H7 мы можем подавать питание через кабель USB-C®, вывод VIN на разъёме высокой плотности или аккумулятор.
Важно
Более подробную информацию о точном расположении на схеме и выводах можно найти на схеме и в графике распиновки соответственно. Силовое дерево предназначено для визуальной помощи в лучшем понимании продукта, и некоторые промежуточные компоненты могут не отображаться. В случае сомнений обратитесь к схеме или свяжитесь с нами.
Мы также можем видеть, что USB-C® и VIN соединены вместе. Под каждым серым блоком мы видим, что напряжение указано как 5V. Это номинальное значение (допустимые диапазоны напряжения указаны в техническом описании). В целом, можно ожидать отсутствия разницы в работе между каждым из подходов.
Чуть ниже мы видим ещё один серый компонент с названием
VBATT
. В данном случае мы наблюдаем две характерные особенности: во-первых, стрелки двунаправленные. Во-вторых, напряжение (в бирюзовом блоке под ним) ниже. Хотя это может быть трудно понять из текстовой таблицы, наличие этой информации может быть полезным для пользователя при попытке понять продукт с точки зрения Модельно-ориентированного проектирования.
Совет
Для получения дополнительной информации о Модельно-ориентированном проектировании ознакомьтесь с Engineering Kit Rev 2 для практических проектов.
Текущая спецификация, указанная на диаграмме, сообщает вам о максимальном количестве тока, который может быть потреблён из данного конкретного источника напряжения. Следовательно, вы можете подключить любой датчик или исполнительный механизм, при условии, что максимальный ток потребления не превышен. Устройство всегда потребляет ровно столько тока, сколько необходимо для его работы. Однако в случае напряжения ситуация иная. Как правило, значения напряжения должны совпадать с низким допуском, и невозможно питать датчик на 5V от вывода 3.3V и наоборот. Напряжения должны совпадать, а токи не обязаны совпадать (только быть ниже). Тем не менее, подключение линии данных, например, от датчика на 3.3V к входному выводу микроконтроллера на 5V может работать в зависимости от определённых уровней TTL, если связь является однонаправленной. Если к периферии на 3.3V применяются 5V от микроконтроллера на 5V, это может её повредить.
Примечание
В некоторых случаях компоненты могут функционировать в широком диапазоне напряжений. Обратитесь к техническому описанию компонента, чтобы узнать поддерживаемый диапазон.
Далее давайте рассмотрим блок, представляющий компонент MC34PF1550A0EP.
Входное питание силового компонента, как уже упоминалось, может поступать от источника питания 5V или от аккумулятора. Напряжение и цепь этих двух (как видно в схематическом представлении) написаны на бирюзовом блоке на соединительных линиях. Напомним, что входы напряжения USB-C® и VIN соединены (что обозначено чёрной точкой, соединяющей линии вместе). Напряжение 5V подаётся на LDO с максимальной ёмкостью тока 2A, создавая шину 4.5V. LDO расшифровывается как L ow D rop O ut — линейный регулятор с малым падением напряжения. Это тип линейного регулятора, разработанный для работы, когда входное напряжение немного превышает выходное напряжение. Выходом этого LDO является шина напряжения (показана снова в бирюзовом блоке) с напряжением 4.5V. Поскольку это немного ниже входного напряжения 5V, важно, чтобы входное напряжение было стабильным, так как если оно упадёт ниже 4.7V, стабильность платы Portenta может быть нарушена.
Предупреждение
Поскольку все другие системные напряжения проходят через указанный LDO, максимальный ток, который может пройти через PMIC, составляет не более 2A. Потери при последующем преобразовании напряжения уменьшат реальный ток, доступный пользователю. Для получения дополнительной информации обратитесь к техническому описанию MC34PF1550A0EP.
Генерируемые 4.5V затем доступны для использования DC-DC преобразователями. Здесь DC-DC преобразование относится к импульсным регуляторам. В зависимости от архитектуры импульсные регуляторы могут повышать (boost) или понижать (buck) уровни напряжения. Значительным преимуществом по сравнению с линейными регуляторами является меньшая площадь на печатной плате и потребление мощности. Однако они также могут быть восприимчивы к шуму.
Важно
Все официальные платы Arduino спроектированы для снижения уровня шума до минимума с использованием высококачественного производства печатных плат и строгого контроля качества. Покупка контрафактных плат может привести к ухудшению качества питания и потере функциональности.
Справа мы можем видеть компоненты, которые используют эти генерируемые напряжения. Обратите внимание, что в некоторых случаях компоненты могут использовать несколько уровней напряжения для работы.
Графические стили
Как вы могли заметить, каждый тип компонента имеет свой визуальный стиль. Входные блоки серые, с бирюзовой меткой внизу, показывающей номинальное напряжение. Соединяющие шины питания показаны чёрной точкой. Сами линии питания помечены бирюзовым блоком с напряжением/цепью. Блоки преобразования питания также серые. Под ними отображаются один или несколько подкомпонентов преобразования питания. Тип преобразования (LDO/CHRG/DCDC) выделен жёлтым цветом, а максимальный выходной ток — красным. Эти подкомпоненты выровнены по правому краю. В нижнем левом углу отображается легенда.
Компоненты силового дерева
Дополнительные ресурсы
Различные производители ИС располагают материалами для понимания преобразования энергии, включая импульсные источники питания. Они могут помочь опытным пользователям лучше понять преобразование энергии, которое вы видите в силовых деревьях, включённых в технические описания Arduino. Смотрите Справочное руководство по импульсным источникам питания от ON Semiconductor или Справочник по топологиям питания от Texas Instruments.
Для объяснения сложных взаимодействий концептуальные диаграммы, похожие на силовое дерево, широко используются экспертами в предметной области для быстрой и эффективной передачи информации. Для обзора того, как концептуальные диаграммы используются в различных дисциплинах, смотрите:
Engineering Kit Rev2 подробнее рассматривает, как Модельно-ориентированное проектирование может использоваться для разработки и понимания сложных систем.