剖析物联网开发板的原理图设计

大家好，我们今天继续物联网开发板的原理图设计部分的探讨。

上篇文章，我们着重探讨了电源部分的工作过程，整体上确定了“反激”+ Buck + LDO三种电源配合的方式。反激部分，其实就是我们买的适配器，这部分我们已经确定通过外购的方式进行。LDO这个地方，使用的是AMS1117的方案，它主要的任务是实现5V到3.3V的降压。Buck则是实现电压从12V降低到5V的任务。

大家可能在其他地方也见到过，使用LDO的方案，把电压从12V降低到5V或者3.3V。使用这种方案有一个前提条件，那就是负载不能太重，也就是负载电流不能太大。如果负载电流太大，LDO DCDC的芯片就会发热比较严重。

因为LDO这个模块的工作原理，它还是利用半导体器件（比如下图中的T4）的非线性阻抗（Rce））来降压的。压差越大，电流越大，那么LDO上面所消耗的功率也就越高。所以对大电流、高压差的情况，LDO就不太适合了。

那么我们必须采用一种内阻更低的能量传递方式，大家比较熟悉的就是开关电源了。降压开关电源比较常用的拓扑结构就是buck。它的原理，是使用储能器件（电容、电感）代替了耗能器件（电阻）进行能量传递，所以它的能效比非常高。

另外，使用开关的开通和管断来调节能量传递的过程，实现了负载动态调节和宽电压输入，比如如果负载比较重，那么开关开通的时间就长一些，关闭的时间就短一些；如果负载毕竟轻，开关开通的时间就短一些，关闭的时间就长一些。

我们这个开发板的buck电路是使用DCDC的芯片来做的，这样可以做到板子的体积比较小，更加实用化。如果大家想彻底搞明白buck电路的工作原理，还是得想办法自己去搭建分立器件的电源转换电路，这样才能理解得更加深刻一些。如下图所示，我们这个buck电路使用的芯片是SY8120，开关控制的思路都被封装在器件内部了。

如果大家一下子搞不明白这个芯片的工作原理，可以后面找时间慢慢学习。我这里需要强调的是，对于开关电源来说，开发板布局非常重要的。因为开关信号是一个阶跃信号，它可以通过展开成一系列高频的傅里叶级数叠加，也就是展开成各个频率的信号。

但是呢，我们需要的其实就是基波信号，其他高频的东西对于我们来说都是干扰。那么我们在布局的时候，就要尽可能减少这些高频信号的对外部的影响，尤其是Id部分，所以Id回路要尽可能的小，一个是减少环形天线对外辐射的影响，一个减小环路上走线寄生电感带来的影响。

再一个，Buck电源输出的+5V的地，一定要单点接地，因为这个地相对来说比较脏，我们要通过单点接地的方式来降低它对其他器件的影响。另外在布局的时候，我们尽可能让ESP-12F的天线部分远离buck电路，进一步降buck Id主回路的影响。

下图是SY8120 datasheet中给出来的布局参考，大家可以观察一下，IN ---> LX --->L ---> Cout ---> GND 这条线，其实回路已经尽可能的短了。虽然FB引脚也是一个高频回路，但是它的电流不大，相对来说没有那么重要，所以把它放在了相对次要的位置。大家注意呀，这里只是相对而言的。

最小系统中的复位电路，我们前面也提到了。那么我们使用的ESP8266这款单片机的复位过程具体是怎样的呢？我们来看一下datasheet相关的说明：

这里只是说外面加一个RC电路就好了，同时对走线提出了一定的要求，并没有讲清楚单片机是如何实现复位的。其实我们只要按照要求做，就可以了。但是我们还是要想办法尽可能对复位电路加深一些理解。我们可以参考STM32F030系列单片机的复位电路进行对比理解。

大家看一下下面两幅图，这两幅图说明是单片机上电时的复位过程。

大家看一下，Reset信号的波形，上电的时候，Reset保持为低时间可以分为两段。第一段时间，是VCC电位上电到POR电位的时间，第二段时间是Reset temporization的时间。

第一段时间相对好理解，只有电压稳定了，单片机才能工作么。第二段时间Reset temporization这段时间大部分的时间应该是晶振起振的时间，还有其他器件reset复位的时间。

我们做过一个Reset的测试，从上电开始到一个管脚输出高电平（程序第一行就是这个）的时间，在STM32 F030中，这个时间是2ms左右。具体ESP8266这个片子的上电复位是不是这么一个过程，我想大概是吧。目前还没有找到更多的材料支撑。

大家可以看一下，产品文档这里并没有对按键复位的时间进行说明，只是说电压要下降到一定的程度才行，比如电压要降低到0.8V。那么这种情况下，我们电路设计的那个RC，其实只是起到了一个滤波作用，对不对，防止外界的干扰导致单片机复位。大家看看，这个作用和ESP8266对外界阻容电路的描述是不是一样的。所以我推测ESP8266的复位过程和STM32F030差不多（这里不打包票），大家如果能有更详细的资料，可以再深入研究下。

具体到外界阻容电路中R和C的取值，我们一般是取值R=10K，C=104。从上面的分析了来看，这里去其他值应该也没有什么问题，大家可以根据自己的实际情况（比如BOM表器件种类不要太多）进行选取。

下面我们来看一下晶振是如何起振的。因为模组已经把晶振封装到内部去了，我们不用去操心晶振部分电路的设计。但是其实晶振电路的设计非常关键，晶振毕竟是单片机的心跳呀。
没有心跳信号，单片机如何工作。另外一个，我们的USB转串口电路中也用到了晶振电路部分的设计，所以这里我还是打算花一些时间把晶振的工作原理和一些设计的要点给大家讲清楚。

铁盖子下面其实是集成了不少东西的，其中就包括了一个26Mhz的晶振。只不过因为已经封装过了，我们看不到而已，就像我们前面提到的一样，看不到不代表不存在，是吧，呵呵。受限于篇幅的原因，这篇文章就先到这里。下篇文章，我们重点分析晶振的起振过程还有继电器、温度传感器等外设电路的设计。

编辑：jq