前言
我們 上一節(jié)分析了電壓比較器，了解了黑盒與輸入輸出的概念尿扯，本節(jié)主要內(nèi)容對(duì)各部分元件進(jìn)行辨識(shí)并了解其基本工作原理，這個(gè)系列直到現(xiàn)在才去學(xué)習(xí)基本的電子元件吓笙，就是為了避免陷入細(xì)節(jié)不能自拔己儒。
15.1 主電源通路
還是從整體來看崎岂，如圖：
15.1.1 +5V 通路部分
初學(xué)者可能存在的疑問？
- NCP1117是什么址愿？
- NCP1117為什么完整寫法是NCP1117ST50T3G该镣？
- LDO是什么冻璃？
- 輸入電壓范圍是多少响谓？
- 輸入電壓怎樣確定的？
- 為什么輸出是+5V省艳，而不是其他電壓娘纷？
- 輸出電流是怎樣確定的？
- 其他疑問請(qǐng)?jiān)谟懻搮^(qū)列出跋炕，討論解決赖晶。
下面我們一一解決這些問題
1. NCP1117是什么？
這個(gè)元件因?yàn)槭菆D示中核心主體部分辐烂，所以我們先來認(rèn)識(shí)它遏插。
我們研究電路時(shí)，首先尋找 核心模塊纠修、核心元件胳嘲，這樣再去推導(dǎo)或者依照參考電路設(shè)計(jì)事半功倍。
現(xiàn)在有問題就要求助于搜索引擎扣草，谷歌了牛、必應(yīng)、百度...
這樣搜索(其他搜索引擎類似)：
打開 www.bing.com辰妙，輸入ncp1117 點(diǎn)擊搜索按鈕鹰祸，
點(diǎn)第一個(gè)鏈接，看看它的數(shù)據(jù)表密浑，
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP1117-D.PDF
到了這一步實(shí)際我們就大體知道NCP1117是什么了蛙婴，英文不好？
那就裝個(gè)翻譯插件尔破、翻譯軟件敬锐。
不知道那個(gè)好用？問知乎呆瞻。不知道怎么裝上台夺？問搜索引擎。
我們從NCP1117 數(shù)據(jù)表可以獲取大量的信息痴脾。
關(guān)鍵幾個(gè)知道了它是LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器颤介，low dropout regulator),
對(duì)知乎的好奇寶寶來說，
什么是低壓差？ 什么是線性滚朵？什么是穩(wěn)壓器冤灾？
LDO和開關(guān)電源IC（DCDC/ACDC)兩種器件用多少篇幅寫都值得，目前電子設(shè)備中這兩個(gè)器件基本上必備（大部分存在至少一種）辕近。
先就B區(qū)部分NCP1117 這種LDO說明韵吨，開關(guān)電源IC后續(xù)碰到再說明，前期實(shí)際已經(jīng)說過一個(gè)（TPS54231）移宅。
曾經(jīng)說過归粉，講太深了，愛因斯坦大爺也解決不了漏峰。我們就膚淺的去理解糠悼。暫時(shí)夠用就好。廠家賣這個(gè)電子元器件一定要吹其能力的浅乔，不然怎么好賣倔喂。很多文章不是說了么，題目要起好靖苇，第一自然段要寫的吸引人席噩，例如UC的震驚寫法:)
Low-Dropout Positive Fixed and Adjustable Voltage Regulators（低壓差正向線性穩(wěn)壓器）
低壓差：一種能量只要產(chǎn)生，不用必然會(huì)被消耗掉（特例有但我不知道）贤壁，LDO的特性是輸入電壓減除輸出電壓剩余的這部分電壓會(huì)消耗在本體上悼枢，所以廠家一再強(qiáng)調(diào)低壓差，就是為了減少能耗芯砸，假設(shè)壓差大了萧芙，在本體消耗過大，就會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重假丧，另外會(huì)把許多能量浪費(fèi)掉双揪。用電池供電的話，電池將會(huì)很快耗光包帚。
所以LDO設(shè)計(jì)時(shí)及時(shí)前端可以允許很高的電壓渔期，但是一般最好要求輸入電壓與輸出電壓不要相差太大，比芯片規(guī)定的壓差稍高即可渴邦。這樣能夠顯著的降低功耗疯趟。
LDO 有兩類正向和反向，這個(gè)暫時(shí)先不管它谋梭，一般用不到這里信峻。
線性穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器的線性實(shí)際利用了晶體管的線性區(qū)來工作的瓮床，這個(gè)線性是這樣理解的盹舞，就是輸出電壓輸出電流成正比产镐，我們知道晶體管可以工作在三個(gè)區(qū)域，一個(gè)是截止區(qū)踢步，一個(gè)是飽和區(qū)癣亚，另外一個(gè)就是放大區(qū)（放大區(qū)的一部分是線性區(qū)），線性穩(wěn)壓器內(nèi)部電路設(shè)定了很多限制获印，讓其工作在線性區(qū)述雾。芯片（集成電路/IC)可不是單一的元件，而是很小的體積內(nèi)集成了非常多的元件兼丰，內(nèi)部也是電路的組合玻孟。
穩(wěn)壓器，輸出電壓是穩(wěn)定的（例如這個(gè)NCP1117輸出電壓精度能達(dá)到 +-1%）地粪，不過記得任何事都不絕對(duì)取募，一定是有條件的琐谤，例如它在0~50℃蟆技，單超過85℃就不一定。
我們要多看看數(shù)據(jù)表（DATASHEET）斗忌，里面隱藏了大量的知識(shí)质礼，包括工作條件、應(yīng)用范圍织阳、電路設(shè)計(jì)參考眶蕉、PCB設(shè)計(jì)參考、尺寸封裝唧躲、包裝造挽、原理等等。
學(xué)習(xí)電子元器件知識(shí)時(shí)弄痹，可以找到一種常用的饭入，然后找到其數(shù)據(jù)表（如果英文不好可以找中文的，同類器件很多肛真，一定有）然后精研一兩款元件就可以了谐丢。
永遠(yuǎn)記得任何東西生存是有條件的，又讓馬兒跑蚓让，還不給吃草乾忱，當(dāng)然不干活了:)
所以確認(rèn)其工作條件非常重要。
一個(gè)復(fù)雜物體/系統(tǒng)历极，如果不理解它窄瘟，以人來類比就會(huì)有意想不到的收貨。
到這里第三個(gè)問題也基本上解決了（什么是LDO）趟卸。
2. NCP1117為什么完整寫法是NCP1117ST50T3G蹄葱？
元件規(guī)格型號(hào)的每一個(gè)字母都有其特定的含義纲酗。
命名的原則其實(shí)也在數(shù)據(jù)表中有體現(xiàn)。
實(shí)際就是將電子元件按照特性分成不同的代碼串用作區(qū)分新蟆。
4. 輸入電壓范圍是多少觅赊？
基本上所有的DCDC（直流變直流）或者LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）這兩種集成電路，輸入都是有一定范圍的琼稻，很多初學(xué)者容易理解成前面輸入一個(gè)固定的電壓吮螺，輸出一個(gè)固定的升高或降低的電壓。
實(shí)際上前端輸入是一個(gè)相對(duì)較寬的范圍帕翻。
例如一般輸出是3.3V的LDO（1117-3.3）鸠补，前端可以輸入 4V~12V左右；1117其實(shí)是一個(gè)系列嘀掸，很多廠家生產(chǎn)紫岩，1117-3.3輸出3.3V，1117-5.0 輸出5V睬塌，這種正電壓的LDO一般輸入大于輸出泉蝌。前面說過LDO 一部分電壓會(huì)消耗在集成電路本身，所以輸出比輸入小太多揩晴，這個(gè)LDO會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重勋陪，所以設(shè)計(jì)時(shí)，一般3.3V輸出硫兰，那么5V~7V 比較合理诅愚。不要差太多。
NCP1117ST50T3G 最高可以輸入20V劫映，輸出5V违孝。
那么最小輸入為多少？
上圖也看出了第7個(gè)問題 （7. 輸出電流是怎樣確定的泳赋？）
0~800mA
5. 輸入電壓怎樣確定的雌桑？
集成電路廠家，根據(jù)內(nèi)部電路參數(shù)摹蘑、特性確定輸入輸出電壓筹燕，生產(chǎn)出樣品，還要經(jīng)過多次檢測(cè)和篩選衅鹿，有成品率的撒踪。
不符合輸入范圍的芯片會(huì)廢棄不用。篩出的良品出貨大渤。
6. 為什么輸出是+5V制妄，而不是其他電壓？
NCP1117 是一系列產(chǎn)品泵三，可以輸出其他電壓耕捞，但是NCP1117ST50T3G這種是固定輸出5V的衔掸。
小結(jié)：
從上幾個(gè)問題我們可以看出，學(xué)習(xí)參考他人的一個(gè)電路俺抽，要抓住核心部件敞映，集成電路基本能確定就是核心，學(xué)習(xí)集成電路的應(yīng)用就需要多看數(shù)據(jù)表磷斧，大部分信息能在數(shù)據(jù)表中找到振愿。作為應(yīng)用工程師一定要有熟練閱讀理解DATASHEET（數(shù)據(jù)表）的能力。
電路是極其靈活又極其不靈活的弛饭！
靈活是你可以用任何電子元件隨意的排列組合冕末，不靈活是要達(dá)到最佳效果，可能是原廠家的推薦電路更靠譜侣颂。
我們?cè)趯W(xué)習(xí)電路原理時(shí)档桃，要把應(yīng)試教育的一套學(xué)習(xí)方式扔掉，很多實(shí)現(xiàn)不只是一種方式憔晒。用這個(gè)元件也行藻肄，用哪個(gè)也可以。
工作后丛晌，你的領(lǐng)導(dǎo)的要求是仅炊，設(shè)計(jì)個(gè)電路斗幼，把這幾個(gè)燈點(diǎn)亮澎蛛、按照一定頻率閃爍。而不是按照某個(gè)固定的元件組合教你實(shí)現(xiàn)它蜕窿。
給你個(gè)目標(biāo)谋逻，中間過程全靠自己，我們上學(xué)階段呢桐经？老師們從頭到尾毁兆，從中間過程到結(jié)果，都給列的清清楚楚阴挣，然后我們照著拷貝气堕。
這與記住復(fù)制粘貼的機(jī)器有何區(qū)別？機(jī)器一定比人做的好畔咧，
詳細(xì)說明下主電源5V通路
NCP1117 前端有個(gè)D1 二極管茎芭，我們第一節(jié)就說過，二極管是單向?qū)щ姷氖姆校瑸槭裁催@里接這么個(gè)二極管梅桩？是為了防止反接的，當(dāng)前端輸入是一個(gè)范圍拜隧，不在乎0.7V左右的二極管的壓降宿百，那么接上這個(gè)二極管非常好趁仙，當(dāng)你把供電端電源和GND接反了，這個(gè)供電通路不通了（0V加在二極管正極）有效的保護(hù)了電路垦页。
PC1,PC2 兩個(gè)電容雀费，儲(chǔ)能的（存水的）是為了保證后續(xù)電路充足的電流，當(dāng)后端電路工作時(shí)痊焊，不斷的從電源這里抽水（吸取電流）坐儿，如果輸入接口電源不穩(wěn)定降铸，那么后端電路可能出錯(cuò)囊骤，建了兩個(gè)蓄水池，保持電流恒定和充足览效。
C2 這個(gè)100nf電容就非常重要了罪佳，宏觀上（也就是我們眼能看到的）大部分的物體都是低速的逛漫，高度的我們也看不清楚：）但是電磁波是看不見和高速的，我們生活在地球上赘艳，電力改變了我們的生活酌毡，但是很多供電系統(tǒng)中，存在一種脈沖群干擾蕾管，實(shí)際就是一簇簇高速的水流枷踏，這種水流和我們看到的低速的水流（電流）不一樣，會(huì)突然來了爆發(fā)一下掰曾，大家可以想象成燃放的煙火旭蠕，但是這個(gè)煙火會(huì)對(duì)電路有影響，例如一個(gè)單片機(jī)的中斷引腳（此名詞暫時(shí)掛著）旷坦，就會(huì)不斷的接收到信號(hào)掏熬，引發(fā)中斷，就像是你正要睡覺秒梅，雨水就敲窗戶旗芬，一晚上就不用睡覺了，這個(gè)時(shí)候捆蜀，你拿一塊大海綿蓋到窗戶上疮丛，雨水就被海綿吸收，聲音也聽不到了辆它，可以睡個(gè)好覺誊薄。這些雨水就是干擾信號(hào)。這個(gè)海綿就是C1娩井，他的作用就是吸收干擾信號(hào)暇屋，把這個(gè)信號(hào)泄放到地（GND）。
所以在每個(gè)芯片的供電端洞辣，都要接一個(gè)100nf電容咐刨，這是設(shè)計(jì)時(shí)的基本操作昙衅，并且畫pcb時(shí)，一定記得定鸟，電源線先要經(jīng)過這個(gè)電容在到單片機(jī)的電源引腳而涉，而不是先經(jīng)過電源引腳再接到電容上，雖然在一根線上联予，但是先后順序不對(duì)啼县，這個(gè)抗干擾措施就失效或者效果不明顯。
這個(gè)時(shí)候有同學(xué)又有疑問了沸久，為什么是100nf的電容季眷，而不是1nf 1000nf，這是因?yàn)榫砜瑁晁念l率是正好大部分能夠被100nf這種海綿吸收子刮，你的海綿太硬或太軟吸收效果就不好，聲音還是能聽到窑睁。
我們所處的環(huán)境就是存在大量的這種干擾挺峡，正好被100nf電容吸收。
實(shí)際更嚴(yán)苛的環(huán)境担钮，例如航空航天橱赠、安全級(jí)別高的環(huán)境，實(shí)際上是接上一串電容的箫津，1uf 100nf 10nf 1nf 四個(gè)并聯(lián)使用或者再嚴(yán)格點(diǎn)中間再串上個(gè)電感狭姨，就是所謂的π型濾波。兩邊各一個(gè)電容到GND鲤嫡，中間串電感送挑，正好像π形狀。
為了濾除電源干擾無所不用其極暖眼。電源是所有設(shè)備能夠工作的源頭發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)電源有問題纺裁，電路引發(fā)的故障很多诫肠。所以還是那句老話，電路有問題先修電源欺缘。
這個(gè)圖主電源電源指示燈栋豫，5V有了那么Green （綠色）發(fā)光二極管就亮了。
發(fā)光二極管是二極管的PN結(jié)上有一種發(fā)光物質(zhì)谚殊，有了一定的電流就能驅(qū)動(dòng)其發(fā)出一定顏色的光丧鸯。具體什么材料就不說了，不同的材料發(fā)不同的光嫩絮。發(fā)光二極管就不上圖了吧丛肢！各位搜搜围肥。
發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)型器件，也就是它需要一定電流才能發(fā)光蜂怎，一般經(jīng)驗(yàn)值3ma以上就能點(diǎn)亮穆刻，本身我們知道二極管有個(gè)壓降，想想我們學(xué)過的二極管測(cè)量法就是量的這個(gè)壓降杠步。
首先二極管兩端施加的電壓要超過這個(gè)壓降氢伟，它才可能發(fā)光，剛才說了還必須有電流幽歼，那么直接接上5V 3V 發(fā)光二極管因?yàn)殡娏魈缶蛽p壞了朵锣，所以串上個(gè)電阻。這個(gè)電路并著兩個(gè)電阻甸私，我們初中學(xué)過猪勇，并聯(lián)電阻減小，兩個(gè)1k的電阻并聯(lián)就是500歐姆颠蕴。
5÷500 = 0.01A = 10ma
所以有了5V 發(fā)光二極管就點(diǎn)亮了泣刹。
這里有很多人又有了疑問，我這里不是5V 而是200V呢犀被？
大家看看身邊的插排椅您，上面有個(gè)發(fā)光二極管就是接的220V，但是串的電阻非常大（電阻怎么算 220÷0.01 =22k） 寡键，這樣也是可以發(fā)光的掀泳，并且不損壞，實(shí)際上大家經(jīng)常碰到排插燈壞了西轩，兩個(gè)原因220V我們的交流電是不穩(wěn)定的有時(shí)候遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)员舵，所以其實(shí)這個(gè)發(fā)光二極管要承受忽高忽低的電壓，另外電阻還是小了藕畔，一般我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路是马僻，以發(fā)光二極管發(fā)光為準(zhǔn)，電阻越大越好注服，電流越小越好韭邓，壽命會(huì)比較長(zhǎng)，發(fā)光二極管損壞的主要原因是發(fā)熱溶弟，也就是電流大女淑，比如說我們算出來22K，實(shí)際我一般上220K電阻辜御，讓二極管有不是很亮的發(fā)光即可鸭你，當(dāng)然家用產(chǎn)品還得炫目，所以有些設(shè)計(jì)師就不考慮你的指示燈用多久了，反正當(dāng)時(shí)買來看著燈挺漂亮的袱巨。誰叫咱們都是外觀黨呢阁谆？另外大家一般忍受力也挺強(qiáng)，反正不影響使用瓣窄，也就不在乎了笛厦。
但是身為設(shè)計(jì)師，要明白什么是可靠性俺夕，什么是折中方案裳凸，有些可以妥協(xié)，但涉及到人身安全的設(shè)計(jì)一定要小心謹(jǐn)慎劝贸，實(shí)際一個(gè)指示燈可能引發(fā)觸電事故姨谷，還是要慎重。
15.2 USB電源切換與3.3V電路
繼續(xù)電源部分說明：
回溯5V電源主通路
下面是5V映九、3.3V的通路梦湘，其中3.3V給外部模塊供電，5V給UNO Rev3 C區(qū)和A區(qū)供電件甥。
VIN 二極管D1后端的一段電路輸出捌议，也就是NCP1117的輸入端。
插上插座PWRIN則一直有+5V主供電引有，當(dāng)接上USBVCC（USB線）如果兩邊同時(shí)給+5V后端電路供電瓣颅，理論上，PWRIN 大于6.6V譬正，T1這個(gè)mosfet會(huì)關(guān)斷宫补，usb這個(gè)供電會(huì)被切斷，如果<6.6V,兩條通路同時(shí)輸出5V曾我，5V經(jīng)過LP2985 這個(gè)帶開關(guān)的LDO產(chǎn)生一個(gè)3.3V電壓給插座粉怕，如果外圍模塊有用這個(gè)電的，可以從這里取電抒巢。
當(dāng)沒有PWRIN供電贫贝，只有USB供電，因?yàn)镻WRIN 為0V虐秦，T1打開平酿，USB供電。（可以看前一節(jié)比較器）悦陋。
這一段切換，理論推導(dǎo)的筑辨，大家可以用proteus仿真確認(rèn)下俺驶。
實(shí)際上，針對(duì)這個(gè)切換電路，可以考慮下暮现，什么叫做人之常情还绘，通用的、簡(jiǎn)潔的理解栖袋，當(dāng)usb供電時(shí)拍顷，我為什么還需要外部再給一個(gè)另外單獨(dú)的供電，直接用usb供電就行塘幅，所以僅有usb供電時(shí)昔案，那么T1必然是打開的。
15.3 測(cè)試電路 SCK 跟隨器類型的運(yùn)放電路
sck 我們看到這個(gè)名稱的線（網(wǎng)絡(luò)線）接到了很多地方电媳，它是arduino專門保留的測(cè)試引腳踏揣，燒寫完程序，有個(gè)黃色發(fā)光二極管亮起了匾乓，A區(qū)核心單片機(jī)程序?qū)懞昧恕?/p>
sck U5.2 運(yùn)放是一個(gè)跟隨器的接法捞稿，跟隨器是為了建立一個(gè)穩(wěn)定的通道。Yellow（黃色發(fā)光二極管）跟隨sck的電壓高低變化拼缝。
設(shè)定sck高電平娱局，就發(fā)光，低電平就滅掉咧七。
總結(jié)：
電源部分基本講完衰齐，還是過于簡(jiǎn)略，先建立一個(gè)大體的印象猪叙，這一節(jié)我們重申了Datasheet的重要性娇斩，核心部件的辨識(shí)，了解了發(fā)光二極管和切換電路穴翩。
學(xué)習(xí)電子知識(shí)最快的方式是在電路中認(rèn)識(shí)元器件犬第，而不是割裂開來，僅僅去學(xué)習(xí)電子元件的原理芒帕。實(shí)際上一個(gè)電子元件在不同電路中的作用是不同的歉嗓。全靠猜看不懂，那么就proteus（或者其他仿真工具）仿真看看背蟆，要么搭建實(shí)際電路用示波器鉴分、萬用表等量測(cè)。先整體上識(shí)別带膀，再分析細(xì)節(jié)志珍，學(xué)起來事半功倍。
下節(jié)轉(zhuǎn)入C區(qū)學(xué)習(xí)通訊電路部分垛叨。
本節(jié)結(jié)束伦糯。
