电源模块设计

前言

设计嵌入式设备时，供电模块起着至关重要的作用。它如同人体的心脏，时刻跳动，为身体贡献血液。因此，在设计供电模块时，需要非常认真与谨慎。目的就是为了有合适的电压、电流驱动。有的设备需要低功耗，有的需要大电流驱动设备。因此，在芯片选型、原理图设计、PCB板布线布局、焊接后验证等各个环节都需要认真仔细。以下的内容会更加倾向于智能眼镜等小体积、低功耗的穿戴设备的设计。（作者自用学习笔记，未完结）

电容与电池

电容与电池为前置学习的内容，属于补充知识与基础。

​ 首先认识电容的主要特性：隔直通交（隔低通高）。依靠此特性，电容起到一个主要作用：滤除杂波，抗干扰。这对于供电模块很重要。保证电流从源头上干净准确。此外电流还有储能（缓冲）的作用，不再多讲。

​ 滤波特性：首先定义电流由A流向B。此时我们会将A到B的导线，依次接大小两个电容。其原理是：大电容滤除低频、直流噪声，小电容滤除高频噪声。常见的搭配是大电容10uF，小电容100nF。（100nF==0.1uF）网上人们会将100nF电容编为104号电容，记住就行，方便以后读别人的原理图。之所以让电流先滤低频，再滤高频，是因为高频噪声更容易产生，因此建议先滤除低频。

​ 此外，在主控芯片输入引脚放100nF电容，能起到储能和滤波的作用。在电路布局时，电容放置要尽量靠近信号端。

滤波电路如下图：

常见电容有两种，陶瓷电容与电解电容。一般陶瓷电容为贴片电容，电解电容为直插型或者圆筒状，体积较大。在追求小体积、低功耗的设备中，更偏向于直接使用贴片电容（不分材质）。

​ 常用锂电池有18650。但是为节省空间，穿戴设备如蓝牙耳机、VR眼镜等，选用聚合物锂电池。比如401030号聚合物锂电池

电源

基础概念

指标：精度，稳定性，抗噪，抗干扰

常间问题：充放电时的过流、过压问题。系统欠压欠流问题。

常见电源方案

220转12转5转3.3

由于压差问题，一般不会12V直接转3.3V

降压/稳压模块芯片

LM7805：转到5

LM7809：转到9

AMS1117-5V：不常用，有热保护，容易断电。因此会用LM7805//电路功率大时就容易发热

AMS1117-3.3V：简单 常用

两种稳压器模块

LDO线性稳压器：线路简单

DCDC直流转直流稳压器（充电桩详解）：损耗较小

AMS1117模块

AMS1117内部电路图（降压电路）如下：

5V为输入端，VCC为输出端，稳定输出3.4V。其中，U6为稳压二极管，电流流向地，反向击穿。导通后，二极管负极为4.1V，与二极管特性有关。R55进行损耗，分0.9V电压。在经过0.7Vbe结导通后，稳定在3.4V左右。C5进行储能，在接负载后，由于负载会产生变化，电容C55用于减缓这种变化。

这种原理图设计方式，也成为“分立元器件方式”，特点是成本低，好优化，可针对具体电路做细节调整。使用芯片模块，成本相对较高。

使用AMS1117-3.3稳压芯片时，会看到4个引脚，其中两个VOUT引脚内部导通，是为了方便布线与散热。

补充

选用电源模块/降压模块/稳压模块/电池保护模块的必要性：

在分压电路中，由于串联两个以上电阻，分压的同时，会影响到电流大小，相比直接用电源，同电压下会限流。可能导致电流驱动不足。

如图：同样是3.3V，但由于电阻R1，R2的限流作用，AB线的电流不同，A线的电流可能会更小一些

电源模块设计

案例一

应用背景：串联的两节18650电池，7.4V供电。Type-C，5V供电。通过波动开关选择输入方式，最终输出5V电压驱动设备

设计思路：INBAT电池电压，经过降压后从VCCBAT输出。USB5V为Type-C供电，直接输出到VCCBAT。

应用芯片：7805降压电路，搭配拨动开关

7805芯片：输入7-35V，稳定输出5V

优化建议：电池组无法充电，两种电源输入方式没有安全防护。

案例二

应用背景：串联的两节18650电池，7.4V供电。Type-C（USB），5V供电。优先USB供电，不开启设备时，USB对电池充电。没有接USB时，电池供电。最终输出5V电压驱动设备

设计思路：

应用芯片：TP5400（锂电池充放电保护电路）

TP5400：

优点：实现电路的充放电保护

优化建议：

案例三

设计背景与目标

面向便携式智能设备（低功耗传感器），实现以下核心功能：

1. 支持USB-C（5V）外接电源与3.7V 锂电池双路供电，外接电源优先为设备供电；
2. 外接电源接入时，自动为锂电池充电，且具备过充、过放、过流、短路等完整电池保护；
3. 稳定输出3.3V电压，满足设备核心电路（如 MCU、传感器、低功耗通信模块）的供电需求；
4. 兼顾可靠性与小型化，适配便携式设备的体积与功耗限制。

设计思路：“TP4056充电管理 + DW01+FS8205A全保护 + XC6206稳压 + 双 MOS 切换” 的架构

核心电路模块与功能解析

TP4056、DW01、FS8205A、XC6206

TP4056：

工作流程与保护机制

CN1端口为电池接口，通过VBAT输出到稳压模块。USB接口通过VBUS输出到稳压模块。同时经过充电保护模块，从INBAT导线连接到电池保护模块。

优点：实现了便携式智能设备的安全供电、智能充电、无缝电源切换，兼顾了可靠性与小型化需求，可直接应用于低功耗传感器节点、微型控制器等场景。

优化建议：进一步集成电路。放弃 TP4056，选择集成度更高的电源管理芯片（如 IP5306/DW03D+FS8205A组合），这类芯片内置 “充电管理 + 全放电保护”。使PCB 面积更小，集成度高、电路更简洁。成本与原方案相近。