2、整流电路整流电路是利用半导体二极管的单向导电性将交流电转换为直流电的电路。它是所有 电子设备电源部分将市电转换为设备内部所需的直流电压中最核心、最前端的环节。2.1半波整流半波整流是最简单的整流形式仅使用一个二极管即可。 其工作原理为在交流电正半周时二极管导通负载上有电流。负半周时二极管截止 负载上无电流。所以其输出波形只有输入正弦波的一半脉动很大。输出直流电压平均值Vdc ≈ 0.45 * Vrms优点 结构简单元件少。缺点 效率低只利用了一半的输入波形输出直流电压低纹波大。2.2全波整流为了利用负半周产生了全波整流。此时需要一个具有中心抽头的变压器和两个二极管。 此电路在工作过程为正半周变压器上正下负D1导通电流经“上绕组 - D1 - 负载”回到中心抽头。负半周变压器下正上负D2导通电流经“下绕组 - D2 - 负载”回到中心抽头。可见无论正负半周流过负载的电流方向都是一致的。所以此电路输入正弦波的正负半周 都被“翻折”到了正半轴脉动频率是输入频率的2倍。输出直流电压平均值Vdc ≈ 0.9 * Vrms优点 效率比半波高一倍纹波频率高更易于滤波。缺点 变压器需要中心抽头利用率不高每个二极管承受的反向电压较高2Vm。2.3桥式整流桥式整流电路为目前应用最广泛的单相整流电路完美解决了全波整流对中心抽头变压 器的依赖。整体电路由由四个二极管接成“电桥”形式。正半周上端正下端负电流路径为 A - D2 - B -负载- D - D4-C。D1和D3 截止。负半周下端正上端负电流路径为 C- D3 - B -负载- D - D1-A。D2和D4 截止。无论哪个半周电流流过负载的方向都是从D2/D3的共阴极点B流向D1/D4的共阳极 点D方向始终不变。其输出波形与全波整流完全相同脉动频率也是2倍频。第一眼看去全波整流电路似乎比桥式整流更简单所用二极管数量也更少。然而在 工程实践与综合性能上桥式整流展现出了更为显著的优势使其成为现代电源设计中更主 流的选择。➢ 变压器结构简化成本与体积优化。全波整流必须依赖一个带有中心抽头的变压器这不仅增加了变压器制造的复杂性也 导致其体积、重量和成本上升且磁芯利用率不均衡。而桥式整流对变压器无特殊要求 普通双线绕组即可工作大大简化了电源变压器的设计与生产更有利于设备的小型化 和成本控制。➢ 二极管承受的反向电压更低选型更灵活。在相同的交流输入电压下全波整流中的每个二极管在截止时需要承受高达 2 倍交流 峰值电压的反向电压。而桥式整流中二极管承受的最大反向电压仅为1倍交流峰值电 压。这意味着桥式整流可以采用耐压规格更低、成本更优的二极管同时也有利于提高 系统的可靠性和安全性。➢ 输出特性与变压器利用率更优。虽然两者在带负载时的输出直流电压平均值相同约0.9 倍交流有效值但由于桥式 整流在正、负半周均能通过两组二极管对变压器绕组形成对称的电流通路因此变压器 绕组利用更充分、效率更高且磁化更均衡有助于减少变压器的偏磁和发热问题。➢ 易于集成与模块化。得益于其对称且简洁的四二极管结构桥式整流电路很早便被封装成独立的“整流桥堆” 模块极大地方便了电路板布局与生产装配进一步巩固了其在各类电源中的标准地位。因此尽管桥式整流比全波整流多用了两个二极管但其在整体成本、元件要求、变压 器设计、系统可靠性及工程适用性上的综合优势使之成为绝大多数交流转直流应用中的首 选方案。2.4桥式整流电路仿真3、复位与晶振3.1MCU 最小系统MCU最小系统是让芯片“活”起来的四根支柱干净稳定的电源心脏、精准的时钟脉 搏、可靠的复位重启键和必备的调试接口对话窗口缺一不可。➢ 电源需将输入电压如5V通过LDO或DCDC稳压至MCU工作电压如3.3V 并在每个电源引脚旁放置去耦电容典型值100nF来滤除噪声。➢ 时钟通常需要外部晶振如8MHz提供主时钟也可使用内部RC振荡器以节省成 本。 ➢ 复位包含上电复位电路和手动复位按钮确保MCU从确定状态启动。➢ 调试接口标准SWD接口SWDIO、SWCLK用于程序下载和在线调试。 这是所有嵌入式硬件设计的基石只有最小系统正常工作后续功能开发才有意义。3.2 阻容复位电路最基本的复位电路由电容和电阻组成 电容端接电源就是高电平复位 接地就是低 电平复位。➢ 低电平复位当电源刚上电时对于 C1 电容相当于交流电根据电容的“隔直通交”的原理RST直 接被拉到低电平处理器这里是 STM32复位成功 随着时间推移 电容慢慢充满电 此时电容就相当于开路了这个时候 RST 的电平通过电阻 R1 上拉到 VCC 高电平高电 平时处理器正常运行。当按下 SW1 时 RST直接被拉到低电平 此时STM32直接低电平复位松开 SW1 后电容开始缓慢充电当充满时电容相当于开路RST 又因为 R1 变成了高电平。➢ 高电平复位当电源刚上电时对于 C1 电容相当于交流电 根据电容的“隔直通交”的原理 VCC 直接加载到 RST 上 此时 RST 为高电平 单片机复位成功。随着时间推移 电容慢慢 充满电 此时电容就相当于开路了 这个时候 RST 的电平通过电阻 R1 接地拉到低电平 低电平时单片机正常运行。当按下 SW1 时VCC 直接被加载到 RST 上此时单片机直接高电平复位松开 SW1 后电容开始缓慢充电当充满时电容相当于开路RST 又因为 R1 变成低电平。复位时间复位时间复位脉宽的意义核心在于确保MCU内部所有电路都完成初始化并达到 稳定状态。它不是一个随意的参数而是MCU可靠启动的关键时间窗口。具体来说一、复位时间的核心作用完成“冷启动”三阶段当电源上电或按下复位按钮时MCU内部世界从“混沌”到“有序”需要时间电源稳定期虽然你的板级电源达到了标称电压如3.3V但MCU内部成千上万个晶体管和模 块的电源轨需要时间才能完全建立。复位信号必须持续到内部所有电压域都稳定。时钟稳定期内部/外部振荡器从起振到输出稳定频率需要时间尤其是晶振需要数毫秒。复位 信号必须覆盖整个时钟稳定过程防止CPU在“乱钟”下运行。逻辑初始化期触发器、寄存器、存储器Flash/SRAM需要被置为确定状态。复杂的内部总线、时 钟树、Flash 控制器等也需要时间完成自检和配置。复位信号必须保持足够长让所有数 字逻辑完成复位。每款 MCU 的数据手册都会明确给出 “最小复位脉宽” 要求。例如许多 STM32 要求 NRST 引脚的低电平脉冲宽度至少为20µs。为了留足安全裕量实际设计的复位电路产生的 复位脉宽通常是这个最小值的10倍到1000倍以上。通过RC复位电路电阻电容实现 时其时间常数 τ R * C 决定了复位脉冲宽度。典型值R10kΩ, C100nF → 脉宽约 0.7 * R * C ≈ 0.7ms远大于芯片要求的20µs 安全可靠。硬件的复位电路是否一定要设计1需要有人干预复位设备可以设计复位按键2将复位与恢复出厂设置兼容到一个可编程的按键此时不需要设计复位按键3不设计任何复位相关的按键使用软复位实现复位物联网4不设计任何人为的复位操作软件设计看门狗3.3 晶振电路晶振Crystal oscillator,又叫做晶体振荡器或者叫做谐振器在振荡器中使用一种特 殊的材料—石英晶体可以产生高度稳定的信号这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡 器。无源晶振不需要电压有源晶振需要STM32 使用无源晶振作为HSE与LSE示例FPGA 使用有源晶振作为时钟源示例时钟电路一定要设计吗如果设计设计有源还是无源看IC是否必须时钟晶振如果是处理器芯片考虑此IC是否有内部时钟源结合产品需求考虑是否设计时钟电路4 电荷泵电路4.1 电荷泵原理电荷泵 (Charge Pump) 是一种无电感的 DC-DC 转换器也称为开关电容式电压变换 器仅依靠电容和开关 (晶体管)实现电压的升压、降压或极性反转广泛应用于空间受限、 低噪声要求的电子设备中。核心理念 “先并联充电再串联放电”。4.2 电荷泵的升压原理这是一个电荷泵的电路示意图。电路上方接入一个稳定的 5V 直流电源DC5V下方 接入一个高电平为 5V 的脉冲信号源。阶段一初始充电首次脉冲低电平期间在首次脉冲的低电平周期内电源通过二极管迅速为电容 C1 和 C0 充电至约 5V。阶段二首次电荷共享首次脉冲高电平期间 当脉冲信号变为高电平时脉冲源与电容 C1 形成串联关系。此时C1 左侧的电压被 提升至 10V5V 电源 5V 脉冲而电容 C0 两端的电压仍为 5V。由于存在电压差C1 和 C0 之间会发生电荷共享。最终电容 C0 两端的电压被提升至约 7.5V忽略二极管压 降。阶段三二次充电第二次脉冲低电平期间进入第二个脉冲的低电平周期时电容 C1 两端的电压降至约 2.5V。但此时上方的 5V 电源会再次通过二极管迅速为 C1 充电至 5V。由于二极管的单向导电性此时 C0 不会 与 C1 发生电荷共享其电压保持在 7.5V 左右。阶段四二次电荷共享与电压提升第二次脉冲高电平期间 当第二个脉冲再次变为高电平时电容 C1 与 C0 再次发生电荷共享。这一过程将 C0 两端的电压进一步提升至约 8.8V。如此循环往复电容 C0 两端的电压会被逐步提升最终稳定在一个高于 5V 的电压 值理论上可接近 10V具体取决于电路效率和负载。4.3 电荷泵的应用场景在现代电子系统的设计实践中工程师通常不会在系统级电路中直接采用由分立元件搭 建的电荷泵来实现核心的电压升降压功能。这是因为电荷泵在大电流输出下效率较低、纹波 较大且输出能力有限。因此其应用更多地体现在集成电路IC的内部设计中例如为 芯片内部的特定模块如存储器、射频电路、显示驱动等提供所需的非标准电压或偏置电压以充分利用其无电感、体积小、易于集成的优势。比如常见的EEPROM芯片AT24C02、RS232芯片中就有此设计 整流电路、复位与晶振、电荷泵电路
2、整流电路整流电路是利用半导体二极管的单向导电性将交流电转换为直流电的电路。它是所有 电子设备电源部分将市电转换为设备内部所需的直流电压中最核心、最前端的环节。2.1半波整流半波整流是最简单的整流形式仅使用一个二极管即可。 其工作原理为在交流电正半周时二极管导通负载上有电流。负半周时二极管截止 负载上无电流。所以其输出波形只有输入正弦波的一半脉动很大。输出直流电压平均值Vdc ≈ 0.45 * Vrms优点 结构简单元件少。缺点 效率低只利用了一半的输入波形输出直流电压低纹波大。2.2全波整流为了利用负半周产生了全波整流。此时需要一个具有中心抽头的变压器和两个二极管。 此电路在工作过程为正半周变压器上正下负D1导通电流经“上绕组 - D1 - 负载”回到中心抽头。负半周变压器下正上负D2导通电流经“下绕组 - D2 - 负载”回到中心抽头。可见无论正负半周流过负载的电流方向都是一致的。所以此电路输入正弦波的正负半周 都被“翻折”到了正半轴脉动频率是输入频率的2倍。输出直流电压平均值Vdc ≈ 0.9 * Vrms优点 效率比半波高一倍纹波频率高更易于滤波。缺点 变压器需要中心抽头利用率不高每个二极管承受的反向电压较高2Vm。2.3桥式整流桥式整流电路为目前应用最广泛的单相整流电路完美解决了全波整流对中心抽头变压 器的依赖。整体电路由由四个二极管接成“电桥”形式。正半周上端正下端负电流路径为 A - D2 - B -负载- D - D4-C。D1和D3 截止。负半周下端正上端负电流路径为 C- D3 - B -负载- D - D1-A。D2和D4 截止。无论哪个半周电流流过负载的方向都是从D2/D3的共阴极点B流向D1/D4的共阳极 点D方向始终不变。其输出波形与全波整流完全相同脉动频率也是2倍频。第一眼看去全波整流电路似乎比桥式整流更简单所用二极管数量也更少。然而在 工程实践与综合性能上桥式整流展现出了更为显著的优势使其成为现代电源设计中更主 流的选择。➢ 变压器结构简化成本与体积优化。全波整流必须依赖一个带有中心抽头的变压器这不仅增加了变压器制造的复杂性也 导致其体积、重量和成本上升且磁芯利用率不均衡。而桥式整流对变压器无特殊要求 普通双线绕组即可工作大大简化了电源变压器的设计与生产更有利于设备的小型化 和成本控制。➢ 二极管承受的反向电压更低选型更灵活。在相同的交流输入电压下全波整流中的每个二极管在截止时需要承受高达 2 倍交流 峰值电压的反向电压。而桥式整流中二极管承受的最大反向电压仅为1倍交流峰值电 压。这意味着桥式整流可以采用耐压规格更低、成本更优的二极管同时也有利于提高 系统的可靠性和安全性。➢ 输出特性与变压器利用率更优。虽然两者在带负载时的输出直流电压平均值相同约0.9 倍交流有效值但由于桥式 整流在正、负半周均能通过两组二极管对变压器绕组形成对称的电流通路因此变压器 绕组利用更充分、效率更高且磁化更均衡有助于减少变压器的偏磁和发热问题。➢ 易于集成与模块化。得益于其对称且简洁的四二极管结构桥式整流电路很早便被封装成独立的“整流桥堆” 模块极大地方便了电路板布局与生产装配进一步巩固了其在各类电源中的标准地位。因此尽管桥式整流比全波整流多用了两个二极管但其在整体成本、元件要求、变压 器设计、系统可靠性及工程适用性上的综合优势使之成为绝大多数交流转直流应用中的首 选方案。2.4桥式整流电路仿真3、复位与晶振3.1MCU 最小系统MCU最小系统是让芯片“活”起来的四根支柱干净稳定的电源心脏、精准的时钟脉 搏、可靠的复位重启键和必备的调试接口对话窗口缺一不可。➢ 电源需将输入电压如5V通过LDO或DCDC稳压至MCU工作电压如3.3V 并在每个电源引脚旁放置去耦电容典型值100nF来滤除噪声。➢ 时钟通常需要外部晶振如8MHz提供主时钟也可使用内部RC振荡器以节省成 本。 ➢ 复位包含上电复位电路和手动复位按钮确保MCU从确定状态启动。➢ 调试接口标准SWD接口SWDIO、SWCLK用于程序下载和在线调试。 这是所有嵌入式硬件设计的基石只有最小系统正常工作后续功能开发才有意义。3.2 阻容复位电路最基本的复位电路由电容和电阻组成 电容端接电源就是高电平复位 接地就是低 电平复位。➢ 低电平复位当电源刚上电时对于 C1 电容相当于交流电根据电容的“隔直通交”的原理RST直 接被拉到低电平处理器这里是 STM32复位成功 随着时间推移 电容慢慢充满电 此时电容就相当于开路了这个时候 RST 的电平通过电阻 R1 上拉到 VCC 高电平高电 平时处理器正常运行。当按下 SW1 时 RST直接被拉到低电平 此时STM32直接低电平复位松开 SW1 后电容开始缓慢充电当充满时电容相当于开路RST 又因为 R1 变成了高电平。➢ 高电平复位当电源刚上电时对于 C1 电容相当于交流电 根据电容的“隔直通交”的原理 VCC 直接加载到 RST 上 此时 RST 为高电平 单片机复位成功。随着时间推移 电容慢慢 充满电 此时电容就相当于开路了 这个时候 RST 的电平通过电阻 R1 接地拉到低电平 低电平时单片机正常运行。当按下 SW1 时VCC 直接被加载到 RST 上此时单片机直接高电平复位松开 SW1 后电容开始缓慢充电当充满时电容相当于开路RST 又因为 R1 变成低电平。复位时间复位时间复位脉宽的意义核心在于确保MCU内部所有电路都完成初始化并达到 稳定状态。它不是一个随意的参数而是MCU可靠启动的关键时间窗口。具体来说一、复位时间的核心作用完成“冷启动”三阶段当电源上电或按下复位按钮时MCU内部世界从“混沌”到“有序”需要时间电源稳定期虽然你的板级电源达到了标称电压如3.3V但MCU内部成千上万个晶体管和模 块的电源轨需要时间才能完全建立。复位信号必须持续到内部所有电压域都稳定。时钟稳定期内部/外部振荡器从起振到输出稳定频率需要时间尤其是晶振需要数毫秒。复位 信号必须覆盖整个时钟稳定过程防止CPU在“乱钟”下运行。逻辑初始化期触发器、寄存器、存储器Flash/SRAM需要被置为确定状态。复杂的内部总线、时 钟树、Flash 控制器等也需要时间完成自检和配置。复位信号必须保持足够长让所有数 字逻辑完成复位。每款 MCU 的数据手册都会明确给出 “最小复位脉宽” 要求。例如许多 STM32 要求 NRST 引脚的低电平脉冲宽度至少为20µs。为了留足安全裕量实际设计的复位电路产生的 复位脉宽通常是这个最小值的10倍到1000倍以上。通过RC复位电路电阻电容实现 时其时间常数 τ R * C 决定了复位脉冲宽度。典型值R10kΩ, C100nF → 脉宽约 0.7 * R * C ≈ 0.7ms远大于芯片要求的20µs 安全可靠。硬件的复位电路是否一定要设计1需要有人干预复位设备可以设计复位按键2将复位与恢复出厂设置兼容到一个可编程的按键此时不需要设计复位按键3不设计任何复位相关的按键使用软复位实现复位物联网4不设计任何人为的复位操作软件设计看门狗3.3 晶振电路晶振Crystal oscillator,又叫做晶体振荡器或者叫做谐振器在振荡器中使用一种特 殊的材料—石英晶体可以产生高度稳定的信号这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡 器。无源晶振不需要电压有源晶振需要STM32 使用无源晶振作为HSE与LSE示例FPGA 使用有源晶振作为时钟源示例时钟电路一定要设计吗如果设计设计有源还是无源看IC是否必须时钟晶振如果是处理器芯片考虑此IC是否有内部时钟源结合产品需求考虑是否设计时钟电路4 电荷泵电路4.1 电荷泵原理电荷泵 (Charge Pump) 是一种无电感的 DC-DC 转换器也称为开关电容式电压变换 器仅依靠电容和开关 (晶体管)实现电压的升压、降压或极性反转广泛应用于空间受限、 低噪声要求的电子设备中。核心理念 “先并联充电再串联放电”。4.2 电荷泵的升压原理这是一个电荷泵的电路示意图。电路上方接入一个稳定的 5V 直流电源DC5V下方 接入一个高电平为 5V 的脉冲信号源。阶段一初始充电首次脉冲低电平期间在首次脉冲的低电平周期内电源通过二极管迅速为电容 C1 和 C0 充电至约 5V。阶段二首次电荷共享首次脉冲高电平期间 当脉冲信号变为高电平时脉冲源与电容 C1 形成串联关系。此时C1 左侧的电压被 提升至 10V5V 电源 5V 脉冲而电容 C0 两端的电压仍为 5V。由于存在电压差C1 和 C0 之间会发生电荷共享。最终电容 C0 两端的电压被提升至约 7.5V忽略二极管压 降。阶段三二次充电第二次脉冲低电平期间进入第二个脉冲的低电平周期时电容 C1 两端的电压降至约 2.5V。但此时上方的 5V 电源会再次通过二极管迅速为 C1 充电至 5V。由于二极管的单向导电性此时 C0 不会 与 C1 发生电荷共享其电压保持在 7.5V 左右。阶段四二次电荷共享与电压提升第二次脉冲高电平期间 当第二个脉冲再次变为高电平时电容 C1 与 C0 再次发生电荷共享。这一过程将 C0 两端的电压进一步提升至约 8.8V。如此循环往复电容 C0 两端的电压会被逐步提升最终稳定在一个高于 5V 的电压 值理论上可接近 10V具体取决于电路效率和负载。4.3 电荷泵的应用场景在现代电子系统的设计实践中工程师通常不会在系统级电路中直接采用由分立元件搭 建的电荷泵来实现核心的电压升降压功能。这是因为电荷泵在大电流输出下效率较低、纹波 较大且输出能力有限。因此其应用更多地体现在集成电路IC的内部设计中例如为 芯片内部的特定模块如存储器、射频电路、显示驱动等提供所需的非标准电压或偏置电压以充分利用其无电感、体积小、易于集成的优势。比如常见的EEPROM芯片AT24C02、RS232芯片中就有此设计