Спецификации питания Arduino UNO Q

Полное описание архитектуры питания двухпроцессорной платы Arduino UNO Q: от входных параметров до внутренних шин, ключевых компонентов, допусков и последовательности включения.

Обзор 

В этом руководстве рассматривается система питания UNO Q с акцентом на три основные шины: 5 В, 3,3 В и 1,8 В. Вы узнаете, как входное напряжение 5 В принимается и объединяется через диодную схему OR, преобразуется в узел предварительного регулятора 3,8 В, а затем регулируется до 3,3 В, и как PMIC генерирует все остальные шины питания от входа 5 В, включая шину 1,8 В. Мы также рассмотрим компоненты, которые преобразуют, защищают и маршрутизируют эти шины, включая безопасные пределы напряжения и пиновые ограничения, которые необходимо знать.

Цели 

Понять диапазон входного напряжения платы и требования к току.
Увидеть, как плата объединяет входы USB-C и DC в одну шину 5 В, а затем преобразует её в стадию предварительного регулятора 3,8 В.
Узнать, как генерируются и используются шины 5 В, 3,3 В и 1,8 В.
Знать безопасные электрические пределы для шин и выводов I/O.

Архитектура дерева питания 

UNO Q принимает вход 5 В через USB-C^® или вход 7–24 В на входе DC с помощью вывода VIN (DC_IN), который понижается до 5 В. Эти два источника объединяются через диодную схему OR в системную шину 5 В (5V_SYS).

От системной шины 5 В (5V_SYS) плата генерирует узел предварительного регулятора 3,8 В (PWR_3P8V). Этот узел является источником для преобразователя 3,3 В (PWR_3P3V).

PMIC также использует системную шину 5 В (5V_SYS) для генерации экспортируемой шины 1,8 В (VREG_L15A_1P8V) и внутренних шин процессора и памяти.

PWR_3P8V, подключённый к VBAT, зарезервирован для системного дизайна и будущих функций. Путь обратного питания USB VBUS питается от системной шины 5 В (5V_SYS) и отделён от входного пути PMIC.

На диаграмме ниже показаны эти шины и точки преобразования с использованием тех же имён цепей, которые используются в этом руководстве.

Спецификации питания 

В этом разделе описано, что плата ожидает на входе и что обеспечивает внутри. Используйте эти значения при выборе источников питания и планировании внешних нагрузок, подключаемых к разъёмам.

Входное питание 

Источник	Диапазон напряжения	Рекомендуемый ток	Разъём
USB-C VBUS	5 В	>= 3 А	Разъём USB-C
VIN (DC IN)	7–24 В	В соответствии с бюджетом 5 В	JMEDIA, JANALOG
Вывод 5 V	5 В	>= 3 А	JANALOG

UNO Q поддерживает несколько входов питания: порт USB-C и вход 7–24 В DC. Через согласование USB Power Delivery плата запрашивает только контракт 5 В / 3 А и не запрашивает профили PD с более высоким напряжением. Используйте источник питания и кабель, рассчитанные на 5 В при 3 А, чтобы короткие пиковые нагрузки, например беспроводные всплески или инициализация дисплея, не вызывали просадку на разъёме. Регулируемый внешний источник постоянного тока 5 В также можно использовать для питания платы через вывод 5 V на разъёме JANALOG.

USB-C VBUS и выход 5 В от понижающего преобразователя 7–24 В объединяются через диодную схему OR в системную шину 5 В (5V_SYS). Путь VIN (DC IN) питает понижающий преобразователь до 5 В, и его выход проходит через диод Шоттки к тому же узлу 5V_SYS. От 5V_SYS плата выдаёт узел предварительного регулятора 3,8 В и далее шину 3,3 В, описанную ниже. PMIC также использует (5V_SYS) для генерации шины 1,8 В платы.

Диодная схема OR означает подключение нескольких источников питания через диоды, что выбирает источник с более высоким напряжением и предотвращает обратный ток.

Важно

Используйте стабильный источник 5 В / 3 А. Если источник ограничивает ток при пиковых нагрузках, зависание напряжения может вызвать сброс.

Возможности USB-C 

Порт USB-C (JUSB1) обеспечивает USB 3.1 с возможностями переключения ролей и видеовыход DisplayPort Alt-Mode через мост ANX7625 DSI-to-DP. Дифференциальные пары SuperSpeed разъёма совместно используются между DP Alt-Mode и данными USB 3.1. Когда активен режим DisplayPort Alt-Mode, скорость передачи данных USB снижается.

Встроенные шины напряжения 

Преобразование питания начинается на входе, формирует системную шину 5V_SYS, затем создаёт узел предварительного регулятора 3,8 В, который питает системную шину 3,3 В. PMIC также использует (5V_SYS) для генерации шины 1,8 В платы.

Напряжение	Шина	Источник / Регулятор
5,0 В	`5V_SYS`	Диодная схема OR: USB-C VBUS (Шоттки) и выход понижающего преобразователя 7–24 В (Шоттки)
3,8 В	`PWR_3P8V`	TPS62A02A понижающий от `5V_SYS`
3,3 В	`PWR_3P3V`	TPS62A02A понижающий от `PWR_3P8V`
1,8 В	`VREG_L15A_1P8V`	PM4125 (PMIC) LDO L15A

Шина 5 В (5V_SYS)

5V_SYS — это системная шина 5 В платы. Она питает два понижающих преобразователя до 3,8 В и 3,3 В через ступень 3,8 В, а также обеспечивает путь обратного питания USB VBUS, когда плата работает в режиме хоста/OTG.

P-канальный MOSFET переключает этот путь обратного питания. Его включение контролируется, поэтому VBUS не подаётся, пока шины не будут валидны. На разъёмах он отображается как VBUS_USBC, и это шина 5 В.

Шина 3,8 В (PWR_3P8V)

PWR_3P8V — это промежуточная шина, создаваемая понижающим преобразователем TPS62A02APDDCR для преобразования 5 В в 3,8 В. Она питает понижающий преобразователь 3,3 В.

Примечание

Эта шина напряжения зарезервирована для системного дизайна и будущих функций.

Шина 3,3 В (PWR_3P3V)

PWR_3P3V — это основная шина платы для логики общего назначения и периферийных устройств.

Она питает домены микроконтроллера STM32U585 (VDD, VDDA, VDDUSB, VREF+), домен 3,3 В моста ANX7625 DSI-to-DisplayPort (AVDD33, VDDIO_3V3), сторону 3,3 В переключателей уровней (VCCB), встроенные устройства 3,3 В и экспортируемые выводы 3,3 В на разъёмах JANALOG, JDIGITAL и JMISC, а также разъёме QWIIC.

Внутри PMIC есть дополнительные шины 3,3 В LDO, используемые подсистемами. Например, VREG_L22A_3P3V для смещения радио/PA. Они отличаются от PWR_3P3V платы, но являются частью домена 3,3 В.

Шина 1,8 В (VREG_L15A_1P8V)

VREG_L15A_1P8V — это экспортируемая шина 1,8 В, создаваемая PMIC. Она питает банки I/O Qualcomm Dragonwing^TM QRB2210 и высокоскоростные интерфейсы, требующие 1,8 В, домен ANX7625 DVDD18, сторону 1,8 В переключателей уровней (VCCA), цифровой I/O Wi-Fi^®/Bluetooth^® и любые выводы 1,8 В на разъёмах JMISC и JCTL.

Важно

Не подключайте сигналы 3,3 В к этому банку, чтобы избежать перенапряжения на I/O уровня процессора.

Домен PMIC PM4125 

PMIC — это интегральная схема управления питанием. Она создаёт и контролирует несколько шин питания от вышестоящего источника. Она обеспечивает понижающее преобразование и линейную регуляцию с малым падением напряжения (LDO), управляет включением и последовательностью шин, а также отчётом о состоянии. Также она управляет зарядкой и защитой аккумулятора. UNO Q использует PM4125.

PM4125 — это PMIC (интегральная схема управления питанием) UNO Q. Она принимает основные входы (5V_SYS) и генерирует питание процессора и памяти, используя свои понижающие преобразователи и LDO. Шина 1,8 В платы (VREG_L15A_1P8V) создаётся L15A и экспортируется. Эта шина питает домен I/O Qualcomm Dragonwing^TM QRB2210, ANX7625 DVDD18, цифровой Wi-Fi 1,8 В и переключатели уровней VCCA.

Другие шины PMIC питают ядро, периферию и домены PLL Qualcomm Dragonwing^TM QRB2210, LPDDR4X, например VDD2 около 1,1 В, VDDQ около 0,6 В, VPP 1,8 В, VREF_DDR около 0,6 В, и eMMC, где VCC составляет 3,3 В или 1,8 В в зависимости от конфигурации, а VCCQ — 1,8 В. Встроенные шины смещения аудио зарезервированы и доступны только на тестовых точках.

Блок зарядки контролирует USB_VBUS_IN, когда VBUS присутствует, и маршрутизирует энергию через VSW_CHG к VPH_PWR, одновременно отслеживая VBAT.

PWR_3P8V и VBAT зарезервированы и подключены для системного использования и будущих функций. Последовательность обеспечивает, что шина 3,3 В валидна до того, как PMIC включит свой домен I/O 1,8 В. При выключении домен 1,8 В отключается до домена 3,3 В для предотвращения обратного питания.

Ключевые компоненты питания 

Эта таблица сопоставляет каждый блок в дереве питания с его функцией. В таблице показаны обозначения и компоненты, а функция каждого компонента описана ниже.

Обозн. на схеме	Компонент
D2801, D2803	Диоды Шоттки SX34
U2803	Понижающий преобразователь LMR51440
U2801	Понижающий преобразователь TPS62A02A
U2802	Понижающий преобразователь TPS62A02A
U3004	LDO-регулятор TPS7A2030
Q2801	P-MOSFET PJA3413
Q2802	NPN-транзистор MMBT3904
PMIC1	PM-4125-3-NSP194-TR-01-0
U3001	Мост ANX7625 DSI-to-DisplayPort
MCU1	Микроконтроллер STM32U585

Выпрямители Шоттки (D2801 и D2803) обеспечивают диодную схему OR, которая объединяет путь USB-C VBUS и выход 5 В от понижающего преобразователя DC в системную шину 5V_SYS.

Понижающий преобразователь LMR51440 (U2803) — это преобразователь с широким входным диапазоном, понижающий 7–24 В до 5 В. Его выход 5V_BUCK_OUT подаётся на каскад OR через D2803.

Понижающий преобразователь TPS62A02A (U2801) выдаёт узел предварительного регулятора 3,8 В PWR_3P8V из 5V_SYS. Этот узел питает преобразователь 3,3 В. VBAT подключается к этому узлу для системного использования и будущих функций.

Понижающий преобразователь TPS62A02A (U2802) выдаёт шину 3,3 В PWR_3P3V из PWR_3P8V. Эта шина питает домены STM32U585: VDD, VDDA, VDDUSB и VREF+, сторону 3,3 В переключателей уровней (VCCB), встроенные устройства 3,3 В и экспортируемые выводы 3,3 В на разъёмах.

LDO-регулятор TPS7A2030 (U3004) выдаёт аналоговую шину 3,0 В, используемую ANX7625 (AVD03P0V) из PWR_3P3V.

P-MOSFET (Q2801) переключает 5V_SYS на USB_VBUS_IN для обратного питания в режиме хоста или OTG. Линия включения USB_VBUS_ON_N контролируется, поэтому VBUS подаётся только при валидных шинах. NPN (Q2802) обеспечивает это управление с помощью LDO1_PG.

PMIC PM4125 генерирует внутренние шины процессора и памяти из 5V_SYS, включая VREG_L15A_1P8V, которая экспортируется как шина 1,8 В платы.

Мост DSI-to-DisplayPort ANX7625 использует VDDIO_3V3 от PWR_3P3V, DVDD18 от VREG_L15A_1P8V и AVD03P0V от U3004. Его VCONN_IN и другие управляющие выводы показаны в дереве питания. Он взаимодействует со схемой USB-C/PD для определения роли Type-C, ориентации и сигнализации DisplayPort Alt-Mode.

Микроконтроллер STM32U585 питается от PWR_3P3V через выводы VDD, VDDA, VDDUSB и VREF+. Его банк 1,8 В VDDIO2 питается от VREG_L15A_1P8V через переключатель уровней.

Совет

Для получения более подробной информации обратитесь к схемам UNO Q.

Допуски питания на уровне выводов 

UNO Q разделяет банки I/O по напряжению, чтобы сохранить высокоскоростные интерфейсы процессора на 1,8 В, при этом предоставляя выводы 3,3 В на maker-разъёмах.

Банк сигналов	Номинальное I/O	Абсолютный максимум
I/O процессора — JMEDIA, JMISC, JCTL	1,8 В	2,1 В
Maker I/O — JDIGITAL, JANALOG	3,3 В	3,6 В

I/O процессора на JMEDIA, JMISC и JCTL напрямую подключены к выводам Qualcomm Dragonwing^TM QRB2210 в домене 1,8 В. Используйте только логику 1,8 В на этих выводах, с абсолютным максимумом 2,1 В на выводе.

Maker I/O на JDIGITAL и JANALOG — это выводы 3,3 В, привязанные к PWR_3P3V. Эти банки имеют переключатели уровней там, где они пересекают домен 1,8 В процессора. Абсолютный максимум составляет 3,6 В.

Предупреждение

Не подавайте сигналы 3,3 В на банки 1,8 В.

Рабочие напряжения и нагрузка I/O 

Банки MCU (JDIGITAL, JANALOG, QWIIC, JSPI) работают при 3,3 В. Банки процессора (JMEDIA, JMISC, JCTL) работают при 1,8 В.

Нагрузка на вывод:

JDIGITAL (GPIO MCU при 3,3 В): Следуйте электрическим спецификациям STM32U585. Планируйте нагрузки в соответствии с электрическими пределами STM32U585 и соблюдайте общий ток на порт.
JANALOG (A0/A1): Только входы АЦП. Не подавайте и не потребляйте постоянный ток на этих выводах. Используйте делитель напряжения для измерения более высокого напряжения и следуйте примечаниям в разделе Аналоговые входы.
JMEDIA (MIPI DSI/CSI при 1,8 В): Несёт высокоскоростные линии MIPI DSI/CSI (домен 1,8 В) и не является универсальным I/O. Не добавляйте подтяжки вверх, вниз или другие нагрузки как нагрузки постоянного тока, и сохраняйте контролируемое сопротивление на несущих платах.

Шины на разъёмах 

Разъёмы экспортируют следующие шины:

JCTL (A1) несёт сигналы управления процессором в домене 1,8 В. Обращайтесь с ними как с логическими выводами 1,8 В и не подавайте на них 3,3 В. Также присутствуют опорное напряжение +1,8 В (OUT) и GND.
JDIGITAL (A2) обеспечивает PWR_3P3V (3,3 В) для maker I/O 3,3 В наряду с банками сигналов MCU.
JANALOG (A3) обеспечивает PWR_3P3V (3,3 В), а также несёт 5V_USB_VBUS (5 В) как вывод питания.
QWIIC (A4) — разъём I2C 3,3 В, питаемый от PWR_3P3V (3,3 В).
JSPI (A5) несёт 5V_USB_VBUS (5 В) на выделенном выводе для аксессуаров, требующих питания 5 В. Сигналы SPI находятся в банке 3,3 В. Выводы SPI STM32U585 толерантны к 5 В как входы, а выходы выдают 3,3 В.
JMISC (B1) экспортирует PWR_3P3V (3,3 В), шину 1,8 В платы VREG_L15A_1P8V (1,8 В), 5V_USB_VBUS (5 В) и VBAT (3,8 В). VBAT зарезервирован для системного использования и будущих функций.
JMEDIA (B2) выводит PWR_3P3V (3,3 В), а также VIN (DC_IN) (7–24 В). Используйте PWR_3P3V (3,3 В) для периферийных устройств 3,3 В на этом разъёме. VIN (DC_IN) — это необработанный вход 7–24 В, а не логическая шина.

5V_USB_VBUS (5 В) на этих разъёмах — это транзитная шина 5 В от входного пути и переключателя обратного питания VBUS. Это только вывод питания, а не логический уровень или опорное напряжение АЦП.

Ограничения тока 

Питание на разъёмах разделяется с встроенными нагрузками. Доступный ток на 5V_USB_VBUS и PWR_3P3V зависит от источника питания, регуляторов и собственного потребления платы в данный момент. Планируйте внешние периферийные устройства в рамках того же бюджета шины и проверяйте их работу при ожидаемой нагрузке и температуре в вашей установке.

При потреблении питания от разъёмов используйте ближайшие выводы GND для обратного пути. Для больших нагрузок используйте несколько обратных GND, чтобы уменьшить падение напряжения и шум.

Обратное питание USB-C VBUS 

P-канальный MOSFET (Q2801) подключает системную шину 5 В (5V_SYS) к USB_VBUS_IN, когда плата работает как USB-хост или OTG-хост. В терминах USB хост подаёт 5 В на VBUS для питания подключённого периферийного устройства, такого как хаб, клавиатура или адаптер дисплея. OTG означает, что тот же порт USB-C может работать как хост и как устройство. При работе в режиме хоста плата должна подавать VBUS, а при работе в режиме устройства — нет.

Переключатель включается только тогда, когда активный низкий сигнал включения USB_VBUS_ON_N притянут к низкому уровню. Это включение контролируется NPN-транзистором (Q2802) вместе с LDO1_PG, поэтому VBUS не подаётся, пока шины не будут валидны. Путь обратного питания обеспечивает фиксированные 5 В на VBUS и отделён от входного пути PMIC. Он не питает шины PMIC.

Аналоговые входы 

A0 (PA4) и A1 (PA5) на JANALOG — это прямые входы АЦП STM32U585, привязанные к VREF+ на шине 3,3 В. Они не толерантны к 5 В. Допустимый входной диапазон — от 0 В до VREF+. Не превышайте VDD + 0,3 В на этих выводах, что составляет около 3,6 В. При превышении этого уровня встроенная защитная сеть ограничивает и может возникнуть инъекционный ток, что может повредить устройство или исказить измерения.

Используйте внешнее кондиционирование, такое как делитель или буфер, для более высоких напряжений. Обратите внимание, что некоторые контактные площадки STM32U585 толерантны к 5 В в цифровом режиме, но при настройке для АЦП или любой аналоговой функции (например, A2 — A5) они не толерантны. Держите их в пределах VDD + 0,3 В. Для A4/A5 при использовании как I2C3 (PC1/PC0) используйте подтяжки только к 3,3 В.

Для измерения сигнала 5 В уменьшите его с помощью делителя напряжения, чтобы вывод АЦП оставался на уровне VREF+ или ниже. Пример: 10 кОм над 20 кОм, что даёт около 3,3 В при источнике 5 В. Установите конденсатор 100 нФ от вывода АЦП к земле для антиалиасинга и снижения шума, и добавьте приблизительно 1 кОм последовательно для ограничения инъекционного тока. Держите эффективное сопротивление источника на уровне 50 кОм или ниже, либо увеличьте время выборки АЦП.

Разъём JANALOG также предоставляет 5V_USB_VBUS и PWR_3P3V как выводы питания. Они предназначены только для питания. Не подавайте 5 В на A0 или A1.

Питание ANX7625 (DSI-to-DisplayPort)

ANX7625 использует три шины платы. Шина 3,3 В PWR_3P3V питает AVDD33 и VDDIO_3V3. Шина 1,8 В VREG_L15A_1P8V питает DVDD18. Выделенная аналоговая шина 3,0 В AVD03P0V создаётся из PWR_3P3V LDO TPS7A2030 (U3004).

Устройство не потребляет питание от 5 В. Оно только считывает VBUS и линии конфигурации Type-C.

USB_VBUS_IN маршрутизируется через резистор 0,2 Ом к локальному фильтрованному узлу с конденсаторами 10 мкФ, 100 нФ и 1 нФ к земле.

Это известно как VCONN_IN. ANX7625 считывает VCONN_IN через делитель, состоящий из резистора 39,2 кОм к выводу и резистора 5,6 кОм к земле. Он также отслеживает VBUS_DIV8 и подключается к USB_CC1_R_MUX и USB_CC2_R_MUX для определения роли Type-C и конфигурации, а также к линиям SBU для DisplayPort AUX. Это узел обнаружения, а не источник питания VCONN кабеля.

Подача VBUS осуществляется P-канальным MOSFET (Q2801) от 5V_SYS.

Последовательность включения питания 

Последовательность обеспечивает, что домен 1,8 В (VREG_L15A_1P8V) никогда не включается до системной шины 3,3 В (PWR_3P3V), а выключение происходит в обратном порядке. Когда VIN поднимается выше приблизительно 4,3 В, начинается преобразование с мягким стартом примерно 2 мс. После стабилизации шины 3,3 В (PWR_3P3V) шина 1,8 В (VREG_L15A_1P8V) включается приблизительно через 1 мс. Затем Qualcomm Dragonwing^TM QRB2210 загружает систему Linux.

Примерно через 20 секунд он подаёт сигнал готовности или пробуждения на STM32U585. При выключении шина 1,8 В отключается до шины 3,3 В. Такой порядок сохраняет высокоскоростные интерфейсы в известном состоянии и предотвращает пути обратного питания.

Целостность сигнала несущей платы / расширения 

JMISC и JMEDIA позволяют подключать пользовательские несущие платы или платформы. Шины питания 3,3 В (PWR_3P3V) и 1,8 В (VREG_L15A_1P8V) и универсальный I/O 3,3 В обычно не деградируют так же, как высокоскоростные соединения, но стоит учитывать падение напряжения и добавлять развязку на несущей плате.

Высокоскоростные интерфейсы на этих разъёмах могут быть чувствительны к соединению. MIPI-DSI/CSI на JMEDIA и PSSI MCU на JMISC могут терять запас при увеличении длины, разрывах импеданса, ответвлениях или плохом заземлении.

Держите эти трассы короткими, используйте маршрутизацию с контролируемым импедансом на несущей плате, поддерживайте непрерывное заземление и избегайте добавления компонентов, нагружающих линии.

Предупреждение

Разделяйте домены напряжения. Не подавайте сигналы 3,3 В на банки 1,8 В. Если интерфейс должен пересечь домены, используйте соответствующее переключение уровней вместо прямого подключения.

Заключение 

В этом руководстве вы узнали, как UNO Q принимает питание от USB-C 5 В или DC-источника 7–24 В на VIN (DC_IN), объединяет их через диодную схему OR в системную шину 5 В 5V_SYS и создаёт 3,8 В (PWR_3P8V) и 3,3 В (PWR_3P3V), а также как PMIC генерирует 1,8 В (VREG_L15A_1P8V) от 5V_SYS. Вы также увидели, какие компоненты генерируют и переключают эти шины, что экспортирует каждый разъём, пределы напряжения I/O и последовательность включения, через которую проходит плата.

С этими знаниями вы можете выбирать подходящие источники питания, планировать нагрузки для 3,3 В и 1,8 В и проверять включение, контролируя порядок шин и выводы на разъёмах.

Параметр	Обозначение	Мин.	Тип.	Макс.	Ед.
Вход USB-C	`VBUS_USBC`	4,5	5,0	5,5	В
Вход DC (VIN)	`DC_IN`	7,0	—	24,0	В
Системная шина 3,3 В	`PWR_3P3V`	3,1	3,3	3,5	В
Рабочая температура	`T_OP`	-10	—	60	°C