第 4 章 电源电路：每块板子的"第一关"

核心问题：怎么把电变成芯片能用的？

4.1 电源的基本概念#

4.1.1 一个生活类比#

想象你住在一栋大楼里。大楼的总水管提供 高压水（比如市政供水 0.4MPa），但你家的花洒、洗衣机、饮水机各自需要不同的水压。你不可能把市政高压水直接接到花洒上——那会把花洒冲爆。所以你需要一个 减压阀，把高压水变成适合家用的低压水。

电源电路做的事情完全一样：

4.1.2 输入来源：电从哪里来？#

你的电路板不会凭空产生电能，它必须从某个地方获取输入：

4.1.3 负载需要什么：芯片的”口味”#

不同的芯片需要不同的电压，就像不同电器需要不同水压：

4.1.4 电源树的概念（Power Tree）#

一块稍微复杂的板子，往往需要 多种电压 同时供电。这些电压之间的关系就像一棵树：

                    ┌─── 5V ──→ USB 接口、继电器驱动
                    │
输入 12V ──→ DC-DC ─┼─── 3.3V ──→ MCU、传感器、WiFi 模块
                    │
                    └─── 1.8V ──→ MCU 内核、DDR
                    
输入 3.7V(电池) ──→ Boost ──→ 5V ──→ LDO ──→ 3.3V ──→ MCU

设计电源树的步骤：

1. 列出所有负载：把板子上每个芯片的供电电压和最大电流列出来
2. 确定输入：你的电从哪来？电压多少？
3. 选择转换方式：压差大用 DC-DC，压差小且噪声敏感用 LDO
4. 画出层级关系：谁先转、谁后转、谁给谁供电
5. 计算总功耗：确保输入电源的功率够用

💡 新人常犯的错误：只看电压不看电流。比如 MCU 标称 3.3V，但峰值电流可能到 200mA；WiFi 模块发射时瞬间电流可达 500mA。如果 LDO 只能输出 150mA，系统就会在 WiFi 发射时随机复位。

4.1.5 一个完整的电源树实例#

以一个带 WiFi 的 IoT 传感器节点为例：

USB 5V 输入
    │
    ├──→ LDO 3.3V (AMS1117-3.3) ──→ STM32 MCU (VDD)
    │                                    │
    │                                    ├──→ GPIO、UART、SPI
    │                                    └──→ ADC (VDDA，需要更干净的 3.3V)
    │
    ├──→ LDO 3.3V (独立一路) ──→ ESP32 WiFi 模块
    │
    └──→ LDO 1.8V ──→ 外部 Flash (如果有的话)

为什么 MCU 和 WiFi 用两路独立的 3.3V？ 因为 WiFi 发射时电流突变很大（从 10mA 瞬间跳到 500mA），如果共用一路 LDO，这个电流突变会在 LDO 输出上产生电压跌落，导致 MCU 复位或 ADC 读数跳变。

4.2 LDO（线性稳压器）#

4.2.1 一句话原理#

LDO 就是一个”自动调节的可变电阻”，通过消耗多余的电压来保持输出稳定。

更具体地说：LDO 内部有一个 MOS 管（调整管）工作在线性区（放大区），它根据输出电压的反馈，自动调节自身的导通程度，使得输出电压恒定。

        Vin
         │
         │  ┌─────────────────────────┐
         ├──┤  调整管 (P-MOS)         │
         │  │       ↕ 自动调节        │
         │  └──────────┬──────────────┘
         │             │
         │             ├──→ Vout (稳定)
         │             │
         │        ┌────┴────┐
         │        │ 分压电阻 │ ← 采样 Vout
         │        └────┬────┘
         │             │
         │        ┌────┴────┐
         │        │误差放大器│ ← 与基准电压比较
         │        └────┬────┘
         │             │
         └─────────────┘ (反馈控制调整管)

工作流程（负反馈闭环）：

1. 分压电阻采样输出电压 Vout
2. 误差放大器将采样值与内部基准电压（如 1.2V）比较
3. 如果 Vout 偏低 → 误差放大器输出增大 → 调整管更导通 → Vout 升高
4. 如果 Vout 偏高 → 误差放大器输出减小 → 调整管更截止 → Vout 降低

4.2.2 优缺点#

4.2.3 关键参数详解#

① 压差（Dropout Voltage）#

定义：LDO 能正常稳压所需的最小输入输出压差。

• 传统稳压器（如 7805）：需要 Vin - Vout ≥ 2V
• LDO：通常只需 0.1V ~ 0.4V（甚至更低）

为什么重要？ 假设你用电池供电（3.0V ~ 4.2V），需要输出 3.3V：

• 如果 LDO 压差是 0.5V，那电池电压必须 ≥ 3.8V 才能正常输出 3.3V
• 如果 LDO 压差是 0.1V，那电池电压 ≥ 3.4V 就行，电池利用率更高

💡 选型建议：电池供电场景，选压差 ≤ 0.2V 的 LDO。

② PSRR（电源抑制比）#

定义：LDO 对输入端噪声的抑制能力，单位 dB。

• PSRR = 60dB 意味着：输入端 1V 的纹波，到输出端只剩 1mV
• PSRR = 80dB 意味着：输入端 1V 的纹波，到输出端只剩 0.1mV

典型值：

• 低频（100Hz ~ 1kHz）：60 ~ 80dB
• 高频（1MHz）：可能降到 20 ~ 40dB

为什么重要？ 如果你用 DC-DC 输出 5V（纹波 50mV），再经 LDO 降到 3.3V 给 ADC 供电：

• PSRR = 60dB @ 1MHz → 输出纹波 ≈ 50mV / 1000 = 50μV ✓ 很好
• PSRR = 20dB @ 1MHz → 输出纹波 ≈ 50mV / 10 = 5mV ✗ 可能影响 ADC 精度

💡 选型建议：给 ADC、射频、音频供电时，选 PSRR ≥ 60dB（在开关频率处）的 LDO。

③ 输出噪声#

定义：LDO 自身产生的噪声（不是从输入传过来的），通常用 μVrms 表示。

• 普通 LDO：30 ~ 100 μVrms
• 低噪声 LDO：< 10 μVrms（如 TPS7A20、LT3042）

④ 静态电流（Iq / Iground）#

定义：LDO 自身消耗的电流（不供给负载的部分）。

• 普通 LDO：几十 μA ~ 几 mA
• 超低功耗 LDO：< 1 μA（如 TPS7A02，Iq = 25nA）

为什么重要？ 电池供电的待机场景，如果 LDO 自身消耗 1mA，一块 2000mAh 的电池只能待机 2000 小时（约 83 天）。如果 Iq = 25nA，待机时间可达数百年（当然受电池自放电限制）。

4.2.4 输入/输出电容为什么必须加#

几乎所有 LDO 的 datasheet 都会要求：

Vin ──┬──→ [LDO] ──┬──→ Vout
      │             │
     [Cin]        [Cout]
      │             │
     GND           GND

输入电容（Cin，通常 1μF ~ 10μF）：

• 为 LDO 提供瞬态电流（LDO 内部调整管快速响应时需要）
• 抑制输入端的噪声传入

输出电容（Cout，通常 1μF ~ 22μF）：

• 稳定性：LDO 的反馈环路需要输出电容提供相位补偿，没有它可能振荡
• 瞬态响应：负载电流突变时，电容先”顶住”，给 LDO 反应时间

⚠️ 注意：有些 LDO 对输出电容的 ESR 有要求（不能太低也不能太高）。陶瓷电容 ESR 极低，某些老款 LDO 用陶瓷电容反而不稳定。现代 LDO（如 TPS7A 系列）通常兼容陶瓷电容，但一定要看 datasheet。

4.2.5 热设计：什么时候会烫手？#

功耗公式：

结温计算：

其中：

• ：芯片内部结温（不能超过最大值，通常 125°C 或 150°C）
• ：环境温度
• ：结到环境的热阻（取决于封装，单位 °C/W）

实际计算举例：

超过 150°C 了！芯片会进入热保护甚至烧毁！

解决方案：

1. 换用 DC-DC（效率 90%+，几乎不发热）
2. 减小压差（如果输入是 3.7V 电池，压差只有 0.4V，功耗 = 0.2W，没问题）
3. 换更大封装（如 TO-252，RθJA ≈ 50°C/W）
4. 增加散热铜皮和热过孔

💡 经验法则：LDO 功耗超过 0.5W 时就要认真考虑散热；超过 1W 时建议直接用 DC-DC。

4.2.6 常见 LDO 选型速查#

4.3 DC-DC（开关电源）#

4.3.1 为什么需要 DC-DC？#

回顾 LDO 的效率公式：η = Vout / Vin

• 5V → 3.3V：效率 = 66%（34% 变成热量）
• 12V → 3.3V：效率 = 27.5%（72.5% 变成热量！）
• 12V → 1.8V：效率 = 15%（完全不可接受）

而 DC-DC 的效率通常在 85% ~ 95%，无论压差多大。

什么时候用 DC-DC 而不是 LDO？

4.3.2 Buck（降压）基本原理#

核心思想#

Buck 电路的本质是：用高速开关把输入电压” chopping”成脉冲，再用 LC 滤波器把脉冲平滑成直流。

电路结构#

Vin ──┬──→ [开关管 S] ──┬──→ [电感 L] ──┬──→ Vout
      │                  │               │
      │                  │              [Cout]
      │                  │               │
      │             [二极管 D]           │
      │                  │               │
     GND                GND             GND

两个工作阶段#

阶段 1：开关导通（Ton）

Vin ──→ [S 导通] ──→ [L] ──→ 负载
                         ↑
                    电流线性增大
                    电感储能

• 开关闭合，输入电压直接加在电感上
• 电感电流线性增大：
• 电感储存磁场能量
• 二极管 D 反偏截止

阶段 2：开关关断（Toff）

                    [L] ──→ 负载
                     ↑         │
                     │         │
                [D 导通] ←─────┘
                     │
                    GND

• 开关断开，电感电流不能突变
• 电感产生感应电动势（左负右正），通过二极管 D 续流
• 电感电流线性减小
• 电感释放能量给负载

占空比决定输出电压#

在稳态下（电感电流的增减量相等）：

其中 是占空比。

例子：Vin = 12V，需要 Vout = 5V

即开关管在 41.7% 的时间导通，58.3% 的时间关断。

同步整流#

现代 DC-DC 芯片通常用 MOS 管 代替二极管 D（称为”同步整流”）：

• 二极管方案：导通压降 0.3~0.7V，效率损失大
• 同步整流：MOS 管 Rds(on) 只有几 mΩ，压降极小，效率可达 95%+

4.3.3 Boost（升压）基本原理#

核心思想#

Boost 电路的”魔法”在于：电感先储能，然后与输入电压串联叠加，产生比输入更高的电压。

就像你用力压弹簧（储能），然后松手时弹簧的力加上你的手力，总力更大。

电路结构#

Vin ──→ [电感 L] ──┬──→ [二极管 D] ──┬──→ Vout
                    │                  │
                    │                [Cout]
               [开关管 S]              │
                    │                  │
                   GND                GND

两个工作阶段#

阶段 1：开关导通（储能）

Vin ──→ [L] ──→ [S 导通] ──→ GND
              电流增大，电感储能
              二极管 D 截止（输出靠 Cout 维持）

阶段 2：开关关断（释放+叠加）

Vin ──→ [L] ──→ [D 导通] ──→ Cout + 负载
         ↑
    电感感应电压 + Vin 叠加
    总电压 > Vin → 升压！

• 开关断开瞬间，电感产生感应电动势（左负右正）
• 这个感应电压与 Vin 串联叠加
• 叠加后的电压通过二极管给输出电容充电
• 输出电压 > 输入电压

占空比与输出电压的关系#

例子：Vin = 3.7V（锂电池），需要 Vout = 5V

⚠️ 注意：当 D 接近 1 时，Vout 趋向无穷大（理论上）。实际中 D 不能太大（通常 < 0.9），否则效率急剧下降。

4.3.4 关键参数#

4.3.5 PWM 控制原理#

DC-DC 芯片内部有一个 PWM 控制器，它的工作方式：

1. 采样输出电压（通过 FB 引脚的分压电阻）
2. 与内部基准电压比较
3. 如果 Vout 偏低 → 增大占空比 → Vout 升高
4. 如果 Vout 偏高 → 减小占空比 → Vout 降低

这就是一个 负反馈闭环，和 LDO 的原理类似，只是执行机构从”可变电阻”变成了”开关”。

4.3.6 布局注意事项（非常重要！）#

DC-DC 的 PCB 布局比 LDO 复杂得多，布局不好直接导致性能下降甚至不工作。

核心原则：

一个典型的 Buck 布局示意：

┌─────────────────────────────────────────┐
│  [Cin]  [IC]  [L]  [Cout]              │
│   │      │     │     │                  │
│   └──GND─┘     │     └──→ Vout         │
│   (紧贴!)      │                        │
│                │                        │
│         FB 走线从远离电感的一侧引出       │
└─────────────────────────────────────────┘

💡 新人建议：第一次用某颗 DC-DC 芯片时，严格照抄 datasheet 上的 Layout 参考图。不要”创新”。

4.3.7 常见 DC-DC 选型速查#

4.4 去耦电容体系#

4.4.1 为什么需要去耦电容？#

一个直觉类比：

把电源总线想象成小区的 主自来水管，把芯片想象成 住户。

• 主水管（电源总线）供水能力有限，而且水压会波动
• 住户（芯片）用水是间歇性的：洗衣机突然启动（数字电路翻转），瞬间需要大量水
• 如果每次都等主水管供水，水压会瞬间下降，其他住户受影响

解决方案：在每户门口放一个 储水罐（去耦电容）。

• 平时储水罐是满的
• 突然用水时，储水罐先顶上，主水管慢慢补充
• 其他住户不受影响

4.4.2 为什么需要多级去耦？#

不同容量的电容，擅长的频率范围不同：

为什么不能只用一个大电容？

因为真实电容不是理想的——它有寄生电感（ESL）和寄生电阻（ESR）。在高频下，寄生电感起主导作用，大电容反而变成”电感”，阻抗急剧上升。

阻抗
 ↑
 │    大电容(10μF)
 │   /
 │  /    小电容(100nF)
 │ /    /
 │/    /
 │────/──────────────→ 频率
 │   /
 │  / 小电容在高频仍保持低阻抗
 │ /

多级并联 = 在宽频率范围内保持低阻抗。

4.4.3 布局原则：越小的电容越靠近引脚#

        MCU 芯片
    ┌──────────────┐
    │  VDD    GND  │
    └──┬───────┬───┘
       │       │
    [10nF]  ← 最近（< 1mm）
       │
    [100nF] ← 次近（< 3mm）
       │
    [10μF]  ← 可以稍远（电源入口处）
       │
      VCC 总线

为什么？

走线有寄生电感（约 1nH/mm）。高频电流需要走最短的路径到达电容。如果 100nF 电容离引脚 10mm，那 10mm 走线的寄生电感在 100MHz 时阻抗 = 2πfL = 2π × 100M × 10n ≈ 6.3Ω——这已经很大了，去耦效果大打折扣。

4.4.4 不放去耦电容会怎样？#

💡 经验法则：

• 每个 VCC 引脚：100nF 陶瓷电容（0402 或 0603 封装）
• 每组电源入口：10μF 陶瓷电容
• 模拟电源（VDDA）：额外加 1μF + 100nF
• 宁可多放，不要少放

4.5 基准电压源#

4.5.1 为什么 ADC 需要稳定的 Vref？#

ADC 的工作原理是把输入电压与参考电压做比较：

如果 Vref 本身在波动（比如跟着电源纹波变），那即使 Vin 完全不变，ADC 的输出数字也会跳动。

例子：12 位 ADC，Vref = 3.3V

• 1 LSB = 3.3V / 4096 = 0.8mV
• 如果 Vref 有 10mV 的纹波 → 相当于 12 LSB 的误差！
• 对于 16 位 ADC（1 LSB = 50μV），10mV 纹波 = 200 LSB 的误差，完全不可接受

4.5.2 常见基准电压源芯片#

4.5.3 关键参数解读#

初始精度（Initial Accuracy）#

芯片在 25°C 时，输出电压与标称值的偏差。

• ±1%：3.3V 基准实际可能是 3.267V ~ 3.333V
• ±0.2%：3.3V 基准实际可能是 3.293V ~ 3.307V

温漂（Temperature Coefficient，TC）#

温度每变化 1°C，输出电压变化多少。单位：ppm/°C（百万分之一每度）。

计算举例：

• 基准 2.5V，温漂 25 ppm/°C
• 温度从 25°C 变到 85°C（变化 60°C）
• 电压变化 = 2.5V × 25 × 10⁻⁶ × 60 = 3.75mV

对于 12 位 ADC（Vref = 2.5V，1 LSB = 0.61mV），3.75mV ≈ 6 LSB 误差。

对于 16 位 ADC（1 LSB = 38μV），3.75mV ≈ 99 LSB 误差——需要选更低温漂的基准。

4.5.4 TL431 详解（最常用）#

TL431 是一个 可编程精密稳压源，内部结构：

        Cathode (K) ──→ 输出
            │
       ┌────┴────┐
       │  NPN    │
       │  晶体管  │
       └────┬────┘
            │
       ┌────┴────┐
       │误差放大器│ ← REF 引脚（2.495V 基准）
       └────┬────┘
            │
        Anode (A) ──→ GND

典型应用：产生 2.5V 基准

Vin (5V) ──→ [R = 1kΩ] ──┬──→ Vout = 2.495V
                           │
                      ┌────┴────┐
                      │  TL431  │
                      │ K  R  A │
                      └────┬────┘
                           │
                          GND

R 和 K 短接时，输出固定的 2.495V。

产生可调电压（如 5V）：

要得到 5V：，即 R1 = R2 = 10kΩ。

4.5.5 布局注意事项#

• 基准电压源 远离数字噪声（MCU、DC-DC、时钟）
• 加去耦电容（通常 100nF + 10μF）
• 走线尽量短，不要和数字信号平行走
• 如果是给 ADC 供电，用独立的走线从基准源直接拉到 ADC 的 VREF 引脚

4.6 电池管理（便携设备）#

4.6.1 锂电池特性#

单节锂离子电池（Li-ion / Li-Po）的关键参数：

充放电曲线（简化）：

电压
4.2V ─────────────────────── 满充
     ╱
    ╱  ← 恒压阶段（电流逐渐减小）
   ╱
3.7V ─── 标称电压（大部分工作时间在这里）
   ╲
    ╲  ← 电压快速下降
     ╲
3.0V ─────────────────────── 截止（必须停止放电）

4.6.2 充电芯片#

TP4056（最经典的线性充电芯片）#

特点：

• 输入：USB 5V
• 充电电压：固定 4.2V
• 充电电流：由外部电阻 Rprog 设定
• 封装：SOP-8（底部有散热焊盘）
• 价格：几毛钱

充电电流设定：

典型应用电路：

USB 5V ──→ [TP4056] ──→ 锂电池 3.7V
              │
           [Rprog]
              │
             GND

充电过程：

1. 恒流阶段（CC）：电池电压 < 4.2V 时，以设定电流恒流充电
2. 恒压阶段（CV）：电池电压达到 4.2V 后，保持 4.2V，电流逐渐减小
3. 终止：电流降到设定值的 1/10 时，认为充满，停止充电

指示灯：

• CHRG 引脚：充电中拉低（接 LED 亮红灯）
• STDBY 引脚：充满后拉低（接 LED 亮绿灯）

⚠️ TP4056 的局限：它只管充电，不提供过放保护！电池放到 3.0V 以下它不管。所以需要额外的保护电路。

BQ24075（带路径管理）#

比 TP4056 高级，增加了 电源路径管理（Power Path Management）：

• 充电时，负载由 USB 直接供电（不经过电池）
• 电池充满后自动切换到 USB 供电
• 拔掉 USB 后无缝切换到电池供电
• 不会”边充边放”（TP4056 的问题）

4.6.3 电池保护电路：DW01 + 8205A#

这是最经典的单节锂电池保护方案：

DW01A：保护控制芯片（SOT-23-6 封装） FS8205A：双 N-MOS 管（TSSOP-8 封装）

保护功能：

电路连接（简化）：

电池+ ──→ P+（输出正极）
  │
  │    ┌──────────┐
  ├──→ │  DW01A   │
  │    │ 1  2  3  │──→ 8205A 栅极控制
  │    │ 6  5  4  │
  │    └──────────┘
  │         │
电池- ──→ 8205A ──→ P-（输出负极）

工作原理：

• 正常时：DW01 输出高电平 → 8205A 内两个 MOS 导通 → 电池正常充放电
• 过充时：DW01 关断充电 MOS → 充电路径断开
• 过放时：DW01 关断放电 MOS → 放电路径断开

💡 实际使用：市面上有集成 TP4056 + DW01 + 8205A 的模块（常见的蓝色小板），几块钱一个，非常适合 DIY。

4.6.4 电量检测#

方法一：分压 + ADC（最简单）#

电池 3.7V ──→ [R1 = 100kΩ] ──┬──→ ADC 输入
                               │
                          [R2 = 100kΩ]
                               │
                              GND

ADC 读到的电压 = 电池电压 / 2。

精度问题：

• 锂电池放电曲线很平坦（3.7V ~ 3.9V 占了 80% 的容量），简单分压很难精确估算剩余电量
• 适合粗略判断（如”电量低于 20% 报警”）

方法二：专用电量计芯片（精确）#

4.6.5 升压：电池 3.7V → 5V 输出#

很多 USB 设备需要 5V，但电池只有 3.7V（甚至放电到 3.0V）。这时需要 Boost 升压：

常用芯片：

典型电路（MT3608）：

电池 3.7V ──→ [MT3608] ──→ 5V 输出
                 │
              [电感 22μH]
                 │
              [肖特基二极管]
                 │
              [输出电容 22μF]

4.7 电源保护#

4.7.1 防反接保护#

问题：用户把电源正负极接反了怎么办？

后果很严重：电解电容爆裂、IC 烧毁、PCB 走线烧断。

方案一：串联肖特基二极管（最简单）#

电源+ ──→|──→ 负载+
         D
电源- ─────────→ 负载-

• 正接：二极管导通，压降约 0.3V（肖特基）
• 反接：二极管截止，无电流

缺点：

• 有 0.3V 压降（3.3V 系统损失 9%）
• 大电流时发热：P = 0.3V × 2A = 0.6W

方案二：P-MOS 防反接（推荐）#

电源+ ──→ [P-MOS: S→D] ──→ 负载+
              │
              G (通过电阻接 GND)
              
电源- ──────────────────→ 负载-

工作原理：

• 正接时：电流先通过 MOS 的体二极管导通 → S 极电压 ≈ Vin - 0.7V → Vgs = -（Vin - 0.7V）< Vgs(th) → MOS 完全导通 → 压降只有几十 mV
• 反接时：Vgs > 0 → MOS 不导通 → 保护后级

优点：

• 导通压降极小（Rds(on) × I，通常 < 50mV）
• 几乎无功耗损失

选型注意：

• Vgs(th) 要足够低（< 2V），确保低压时也能导通
• 如果输入电压可能超过 Vgs(max)（通常 ±20V），需要加稳压管钳位

方案三：保险丝 + 反并二极管#

电源+ ──→ [保险丝] ──→ 负载+
                │
           [二极管 D]（反向并联，阴极接电源+）
                │
电源- ──────────→ 负载-

• 正接：二极管反偏，不导通，无损耗
• 反接：二极管正偏导通 → 短路 → 保险丝熔断 → 保护后级

缺点：保险丝熔断后需要更换（或用 PTC 自恢复保险丝）。

4.7.2 过压保护#

场景：用户误接了 12V 适配器到设计为 5V 输入的设备。

TVS 管（瞬态电压抑制器）#

电源+ ──→ [保险丝/PTC] ──┬──→ 后级电路
                           │
                      [TVS 管]
                           │
                          GND

• 正常时：TVS 不导通（高阻抗）
• 过压时：TVS 瞬间导通（ns 级），将电压钳位到安全值
• 配合保险丝：TVS 导通 → 大电流 → 保险丝熔断 → 彻底断开

选型：

• 工作电压（Vrwm）> 正常供电电压
• 钳位电压（Vc）< 后级芯片的绝对最大额定值
• 例：5V 系统选 SMBJ5.0A（Vrwm = 5V，Vc ≈ 9.2V）

稳压管钳位（低成本方案）#

电源+ ──→ [R] ──┬──→ 后级
                │
           [稳压管 5.1V]
                │
               GND

适合小电流、低成本的场景。

4.7.3 过流保护#

PTC 选型举例：

• 正常工作电流 500mA
• 选 PTC：保持电流（Ihold）= 750mA，触发电流（Itrip）= 1.5A
• 正常时 PTC 电阻 < 0.1Ω，几乎无影响
• 过流时 PTC 电阻升到几十 Ω，限制电流

4.7.4 上电时序#

问题：有些芯片要求多路电源按特定顺序上电。

典型例子：

• FPGA：要求 VCCINT（内核 1.0V）先于 VCCO（IO 3.3V）上电
• 某些 SoC：要求 1.8V 先于 3.3V
• 如果顺序反了：芯片可能闩锁（latch-up），电流暴增，永久损坏

解决方案：

1. 利用 EN 引脚级联：

12V ──→ DC-DC(1.8V) ──→ PG 引脚 ──→ 使能 LDO(3.3V) 的 EN

1.8V 的 DC-DC 输出 Power Good 信号后，才使能 3.3V 的 LDO。

2. 专用时序控制芯片：如 TPS3808、MAX823

3. PMIC（电源管理 IC）：集成多路输出，内部自带时序控制

💡 新人建议：设计多电压系统时，一定要查每个芯片 datasheet 中的 “Power Supply Sequencing” 章节。

4.8 电源指示灯与使能控制#

4.8.1 电源指示灯#

最简单但最实用的功能——让用户知道”设备通电了”。

基本电路：

VCC (3.3V) ──→ [R = 1kΩ] ──→ [LED] ──→ GND

限流电阻计算：

💡 低功耗设计：电池设备中，指示灯可能消耗 5mA × 3.3V = 16.5mW。如果设备需要待机几个月，考虑用 GPIO 控制 LED（需要时才亮），或者用 1MΩ 上拉到 VCC 的超暗 LED（电流 < 5μA）。

4.8.2 EN 引脚控制：用 GPIO 控制电源通断#

很多 LDO 和 DC-DC 都有 EN（Enable）引脚：

• EN = 高电平 → 电源输出开启
• EN = 低电平 → 电源关闭（静态电流降到 nA 级）

应用场景：

MCU GPIO ──→ [EN 引脚] ──→ LDO ──→ 传感器供电

• 需要采集数据时：GPIO 拉高 → 传感器上电 → 采集 → GPIO 拉低 → 传感器断电
• 待机时传感器完全断电，功耗从 50mA 降到 < 1μA

注意事项：

典型电路：

MCU GPIO ──→ [10kΩ] ──┬──→ EN 引脚
                       │
                  [100kΩ 下拉]
                       │
                      GND

• GPIO 高电平：EN ≈ 3.3V → 电源开启
• GPIO 低电平或浮空：EN ≈ 0V → 电源关闭
• 10kΩ 串联电阻：防止 GPIO 和 EN 内部电路冲突

4.8.3 Power Good（PG）信号#

很多 DC-DC 和 LDO 有 PG / PWRGD 引脚：

• 输出电压正常时：PG = 高电平（或开漏释放）
• 输出电压异常时（过低/过高）：PG = 低电平

用途：

1. 给 MCU 一个”电源正常”中断信号
2. 级联控制：第一级电源 PG → 使能第二级电源
3. 系统复位：PG 低 → 触发 MCU 复位

本章小结#

实战 Checklist：设计电源时的自检清单#

• 列出所有负载的电压和最大电流
• 画出电源树
• 压差 > 2V 或电流 > 500mA → 用 DC-DC
• 噪声敏感（ADC、射频）→ DC-DC 后加 LDO
• 每个 VCC 引脚有 100nF 去耦电容
• 电源入口有 10μF 储能电容
• LDO 功耗 < 0.5W（否则换 DC-DC 或加散热）
• DC-DC 布局照抄 datasheet 参考
• 有防反接保护
• 有输入过压保护（TVS 或稳压管）
• 多电压系统检查了上电时序
• 电池设备有充电管理 + 保护电路

推荐进一步阅读#

1. TI 应用笔记：《Understanding LDO Dropout》(SLVA079)
2. TI 应用笔记：《Basic Calculation of a Buck Converter’s Power Stage》(SLVA477)
3. Murata 技术文档：《Decoupling Capacitors for Power Supply Lines》
4. 各芯片 datasheet 的 “Typical Application” 和 “Layout Guidelines” 章节

下一章预告：第 5 章 MCU 最小系统——有了电源之后，我们来看一块板子的”骨架”怎么搭：复位、晶振、下载接口，一个都不能少。