Как читать схемы питания (Power Trees) Arduino

Зачем Arduino публикует Power Trees?

Arduino выпускает огромное количество плат, шилдов и несущих плат — от классической Arduino UNO, с которой начинает большинство новичков, до Arduino Portenta H7, ориентированной на промышленные задачи. Система питания каждой платы спроектирована с учётом реальных сценариев использования. Чтобы помочь пользователям — и начинающим, и опытным — разобраться в том, как именно питается плата, Arduino разработала графические схемы питания, которые называются Power Trees. Они дают общее представление о структуре питания и публикуются в соответствующих даташитах.

В этой статье мы разберём концепцию Power Trees и пройдём по реальному примеру шаг за шагом. Если у вас есть замечания или предложения — Arduino Community всегда рада обратной связи.

Разбираем Power Tree на примере Portenta H7

Давайте вместе посмотрим на одну из таких схем. Portenta H7 — одна из первых плат Arduino, для которой была создана графическая схема питания.

Слева вы видите три серых блока. Каждый из них — это источник напряжения. В случае Arduino Portenta H7 питание можно подать через кабель USB-C®, через пин VIN на разъёме высокой плотности или от аккумулятора.

Точные обозначения пинов и расположение цепей в схеме смотрите в схематике и графике распиновки. Power Tree — это визуальный инструмент для общего понимания продукта; некоторые промежуточные компоненты на нём могут не отображаться. При возникновении сомнений обращайтесь к схематике или к поддержке Arduino.

Обратите внимание: USB-C® и VIN соединены между собой. Под каждым серым блоком указано напряжение — 5V. Это номинальное значение (допустимые диапазоны напряжений смотрите в даташите). В целом, разницы в работе платы между этими способами подачи питания нет.

Чуть ниже на схеме виден ещё один серый компонент с названием VBATT. У него есть две характерные особенности: стрелки двунаправленные, а напряжение (в бирюзовом блоке под ним) ниже, чем у источников. Это трудно понять из текстовой таблицы, но в графическом виде такая информация очень помогает при работе с платой в рамках подхода Model-Based Design.

Подробнее о Model-Based Design и практических проектах — в Engineering Kit Rev 2.

Ток и напряжение: в чём разница?

Значение тока на схеме — это максимальный ток, который можно потреблять от данного источника напряжения. Любой подключённый датчик или актуатор потребляет ровно столько тока, сколько ему нужно для работы, но не больше указанного максимума.

С напряжением всё иначе. Как правило, напряжение должно точно совпадать: нельзя питать 5V-датчик от пина 3.3V и наоборот. Ток не обязан совпадать (главное — не превышать лимит), а напряжение — обязан.

При этом подключение линии данных от 3.3V-датчика к входному пину 5V-микроконтроллера может сработать в зависимости от заявленного TTL levels — но только при однонаправленной передаче. Если же 5V от микроконтроллера попадут на 3.3V-периферию, компонент может выйти из строя.

В некоторых случаях компоненты работают в широком диапазоне напряжений — уточняйте это в даташите конкретного компонента.

Блок PMIC: MC34PF1550A0EP

Теперь рассмотрим блок, соответствующий компоненту MC34PF1550A0EP.

На вход этого блока подаётся напряжение либо от 5V-источника, либо от батареи. Напряжение и название цепи (как в схематике) указаны в бирюзовом блоке на соединительных линиях. Поскольку USB-C® и VIN соединены (на это указывает чёрная точка на пересечении линий), напряжение 5V поступает на LDO с максимальным током 2A, который формирует шину 4.5V.

LDO (Low Dropout) — это линейный регулятор с малым падением напряжения. Он рассчитан на работу в ситуации, когда входное напряжение лишь немного превышает выходное. Выходная шина 4.5V чуть ниже входных 5V — это важно учитывать: если входное напряжение опустится ниже 4.7V, стабильность работы Portenta может нарушиться.

Поскольку все системные напряжения проходят через указанный LDO, максимальный ток через PMIC не превышает 2A. Потери при последующих преобразованиях напряжения снижают реально доступный пользователю ток. Подробнее — в даташите MC34PF1550A0EP.

Сформированные 4.5V затем используются DC-DC-конвертерами. DC-DC-преобразование здесь — это импульсные регуляторы. В зависимости от архитектуры они могут повышать (boost) или понижать (buck) напряжение. По сравнению с линейными регуляторами они занимают меньше места на плате и потребляют меньше энергии, однако чувствительнее к помехам.

Все официальные платы Arduino спроектированы так, чтобы свести уровень помех к минимуму — за счёт качественного производства PCB и строгого контроля качества. Использование поддельных плат может ухудшить качество питания и привести к потере функциональности.

Справа на схеме показаны компоненты, которые используют сформированные напряжения. Обратите внимание: некоторые компоненты могут работать одновременно от нескольких уровней напряжения.

Графические стили элементов

Каждый тип компонента на Power Tree имеет свой визуальный стиль:

• Источники питания — серые блоки с бирюзовой подписью номинального напряжения.
• Соединение шин — чёрная точка на пересечении линий.
• Линии питания — маркированы бирюзовым блоком с напряжением или названием цепи.
• Блоки преобразования — серые. Внутри — один или несколько подблоков, выровненных по правому краю. Тип преобразования (LDO / CHRG / DCDC) выделен жёлтым, максимальный выходной ток — красным.
• Легенда — расположена в нижнем левом углу.

На схеме выше показаны типы узлов: Power IO/Double, Power IO/Single, Component/Double, Component/Single — с полями Voltage, Conversion и Max.

Практические замечания

• Если вы проектируете собственную систему питания, Power Tree помогает быстро оценить, какие уровни напряжения доступны и какой ток можно от них получить.
• При выборе датчиков и актуаторов сначала сверяйтесь с Power Tree: убедитесь, что нужный уровень напряжения присутствует и запас по току достаточен.
• Двунаправленные стрелки (как у блока батареи) сигнализируют о том, что компонент может как отдавать, так и принимать энергию — например, при зарядке аккумулятора.
• Не путайте Power Tree со схематикой: Power Tree — это концептуальный обзор, а не полная принципиальная схема.

Дополнительные материалы

Многие производители микросхем публикуют материалы по теме преобразования питания, включая импульсные источники питания (SMPS). Они помогут продвинутым пользователям глубже разобраться в преобразованиях, которые отображены на Power Trees в даташитах Arduino. Смотрите ON Semiconductor's Switch-Mode Power Supply Reference Manual или Power Topologies Handbook by Texas Instruments.

Для объяснения сложных взаимодействий концептуальные диаграммы, похожие на Power Tree, широко используются экспертами в разных областях. Обзор применения таких диаграмм в различных дисциплинах:

• Ma’ayan, Dor, et al. ‘How Domain Experts Create Conceptual Diagrams and Implications for Tool Design’. Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, ACM, 2020
• Tippett, Christine D. ‘What Recent Research on Diagrams Suggests about Learning with Rather than Learning from Visual Representations in Science’. International Journal of Science Education, vol. 38, no. 5, Mar. 2016

Engineering Kit Rev2 подробно рассказывает о том, как подход Model-Based Design помогает разрабатывать и понимать сложные системы.