第十五节 电路细节分析与相关元器件学习续二
前言
我们 上一节分析了电压比较器，了解了黑盒与输入输出的概念，本节主要内容对各部分元件进行辨识并了解其基本工作原理，这个系列直到现在才去学习基本的电子元件，就是为了避免陷入细节不能自拔。
15.1 主电源通路
还是从整体来看，如图：
UnoABC整图-USBVCC
UnoABC整图-USBVCC-zoom
B区图
5V3V3输出
5V供电3D图高亮
15.1.1 +5V 通路部分
1117-5V
初学者可能存在的疑问？
- NCP1117是什么？
- NCP1117为什么完整写法是NCP1117ST50T3G？
- LDO是什么？
- 输入电压范围是多少？
- 输入电压怎样确定的？
- 为什么输出是+5V，而不是其他电压？
- 输出电流是怎样确定的？
- 其他疑问请在讨论区列出，讨论解决。
下面我们一一解决这些问题
1. NCP1117是什么？
这个元件因为是图示中核心主体部分，所以我们先来认识它。
我们研究电路时，首先寻找 核心模块、核心元件，这样再去推导或者依照参考电路设计事半功倍。
现在有问题就要求助于搜索引擎，谷歌、必应、百度...
这样搜索(其他搜索引擎类似)：
打开 www.bing.com，输入ncp1117 点击搜索按钮，
bing-1117
点第一个链接，看看它的数据表，
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP1117-D.PDF
NCP1117-简介
到了这一步实际我们就大体知道NCP1117是什么了，英文不好？
那就装个翻译插件、翻译软件。
不知道那个好用？问知乎。不知道怎么装上？问搜索引擎。
浏览器翻译-知乎
我们从NCP1117 数据表可以获取大量的信息。
关键几个知道了它是LDO(低压差线性稳压器，low dropout regulator),
对知乎的好奇宝宝来说，
什么是低压差？ 什么是线性？什么是稳压器？
LDO和开关电源IC（DCDC/ACDC)两种器件用多少篇幅写都值得，目前电子设备中这两个器件基本上必备（大部分存在至少一种）。
先就B区部分NCP1117 这种LDO说明，开关电源IC后续碰到再说明，前期实际已经说过一个（TPS54231）。
曾经说过，讲太深了，爱因斯坦大爷也解决不了。我们就肤浅的去理解。暂时够用就好。厂家卖这个电子元器件一定要吹其能力的，不然怎么好卖。很多文章不是说了么，题目要起好，第一自然段要写的吸引人，例如UC的震惊写法:)
LDO强调
Low-Dropout Positive Fixed and Adjustable Voltage Regulators（低压差正向线性稳压器）
低压差：一种能量只要产生，不用必然会被消耗掉（特例有但我不知道），LDO的特性是输入电压减除输出电压剩余的这部分电压会消耗在本体上，所以厂家一再强调低压差，就是为了减少能耗，假设压差大了，在本体消耗过大，就会发热严重，另外会把许多能量浪费掉。用电池供电的话，电池将会很快耗光。
所以LDO设计时及时前端可以允许很高的电压，但是一般最好要求输入电压与输出电压不要相差太大，比芯片规定的压差稍高即可。这样能够显著的降低功耗。
LDO 有两类正向和反向，这个暂时先不管它，一般用不到这里。
线性稳压器，稳压器的线性实际利用了晶体管的线性区来工作的，这个线性是这样理解的，就是输出电压输出电流成正比，我们知道晶体管可以工作在三个区域，一个是截止区，一个是饱和区，另外一个就是放大区（放大区的一部分是线性区），线性稳压器内部电路设定了很多限制，让其工作在线性区。芯片（集成电路/IC)可不是单一的元件，而是很小的体积内集成了非常多的元件，内部也是电路的组合。
稳压器，输出电压是稳定的（例如这个NCP1117输出电压精度能达到 +-1%），不过记得任何事都不绝对，一定是有条件的，例如它在0~50℃，单超过85℃就不一定。
我们要多看看数据表（DATASHEET），里面隐藏了大量的知识，包括工作条件、应用范围、电路设计参考、PCB设计参考、尺寸封装、包装、原理等等。
学习电子元器件知识时，可以找到一种常用的，然后找到其数据表（如果英文不好可以找中文的，同类器件很多，一定有）然后精研一两款元件就可以了。
永远记得任何东西生存是有条件的，又让马儿跑，还不给吃草，当然不干活了:)
所以确认其工作条件非常重要。
一个复杂物体/系统，如果不理解它，以人来类比就会有意想不到的收货。
到这里第三个问题也基本上解决了（什么是LDO）。
2. NCP1117为什么完整写法是NCP1117ST50T3G？
元件规格型号的每一个字母都有其特定的含义。
命名的原则其实也在数据表中有体现。
实际就是将电子元件按照特性分成不同的代码串用作区分。
NCP1117
4. 输入电压范围是多少？
基本上所有的DCDC（直流变直流）或者LDO（低压差线性稳压器）这两种集成电路，输入都是有一定范围的，很多初学者容易理解成前面输入一个固定的电压，输出一个固定的升高或降低的电压。
实际上前端输入是一个相对较宽的范围。
例如一般输出是3.3V的LDO（1117-3.3），前端可以输入 4V~12V左右；1117其实是一个系列，很多厂家生产，1117-3.3输出3.3V，1117-5.0 输出5V，这种正电压的LDO一般输入大于输出。前面说过LDO 一部分电压会消耗在集成电路本身，所以输出比输入小太多，这个LDO会发热严重，所以设计时，一般3.3V输出，那么5V~7V 比较合理。不要差太多。
NCP1117ST50T3G 最高可以输入20V，输出5V。
NCP1117输入电压范围png
那么最小输入为多少？
NCP1117-5 输入最小
上图也看出了第7个问题 （7. 输出电流是怎样确定的？）
0~800mA
5. 输入电压怎样确定的？
集成电路厂家，根据内部电路参数、特性确定输入输出电压，生产出样品，还要经过多次检测和筛选，有成品率的。
不符合输入范围的芯片会废弃不用。筛出的良品出货。
6. 为什么输出是+5V，而不是其他电压？
NCP1117 是一系列产品，可以输出其他电压，但是NCP1117ST50T3G这种是固定输出5V的。
小结：
从上几个问题我们可以看出，学习参考他人的一个电路，要抓住核心部件，集成电路基本能确定就是核心，学习集成电路的应用就需要多看数据表，大部分信息能在数据表中找到。作为应用工程师一定要有熟练阅读理解DATASHEET（数据表）的能力。
电路是极其灵活又极其不灵活的！
灵活是你可以用任何电子元件随意的排列组合，不灵活是要达到最佳效果，可能是原厂家的推荐电路更靠谱。
我们在学习电路原理时，要把应试教育的一套学习方式扔掉，很多实现不只是一种方式。用这个元件也行，用哪个也可以。
工作后，你的领导的要求是，设计个电路，把这几个灯点亮、按照一定频率闪烁。而不是按照某个固定的元件组合教你实现它。
给你个目标，中间过程全靠自己，我们上学阶段呢？老师们从头到尾，从中间过程到结果，都给列的清清楚楚，然后我们照着拷贝。
这与记住复制粘贴的机器有何区别？机器一定比人做的好，
详细说明下主电源5V通路
B区图
ncp1117 元件讲解
NCP1117 前端有个D1 二极管，我们第一节就说过，二极管是单向导电的，为什么这里接这么个二极管？是为了防止反接的，当前端输入是一个范围，不在乎0.7V左右的二极管的压降，那么接上这个二极管非常好，当你把供电端电源和GND接反了，这个供电通路不通了（0V加在二极管正极）有效的保护了电路。
PC1,PC2 两个电容，储能的（存水的）是为了保证后续电路充足的电流，当后端电路工作时，不断的从电源这里抽水（吸取电流），如果输入接口电源不稳定，那么后端电路可能出错，建了两个蓄水池，保持电流恒定和充足。
C2 这个100nf电容就非常重要了，宏观上（也就是我们眼能看到的）大部分的物体都是低速的，高度的我们也看不清楚：）但是电磁波是看不见和高速的，我们生活在地球上，电力改变了我们的生活，但是很多供电系统中，存在一种脉冲群干扰，实际就是一簇簇高速的水流，这种水流和我们看到的低速的水流（电流）不一样，会突然来了爆发一下，大家可以想象成燃放的烟火，但是这个烟火会对电路有影响，例如一个单片机的中断引脚（此名词暂时挂着），就会不断的接收到信号，引发中断，就像是你正要睡觉，雨水就敲窗户，一晚上就不用睡觉了，这个时候，你拿一块大海绵盖到窗户上，雨水就被海绵吸收，声音也听不到了，可以睡个好觉。这些雨水就是干扰信号。这个海绵就是C1，他的作用就是吸收干扰信号，把这个信号泄放到地（GND）。
所以在每个芯片的供电端，都要接一个100nf电容，这是设计时的基本操作，并且画pcb时，一定记得，电源线先要经过这个电容在到单片机的电源引脚，而不是先经过电源引脚再接到电容上，虽然在一根线上，但是先后顺序不对，这个抗干扰措施就失效或者效果不明显。
这个时候有同学又有疑问了，为什么是100nf的电容，而不是1nf 1000nf，这是因为，雨水的频率是正好大部分能够被100nf这种海绵吸收，你的海绵太硬或太软吸收效果就不好，声音还是能听到。
我们所处的环境就是存在大量的这种干扰，正好被100nf电容吸收。
实际更严苛的环境，例如航空航天、安全级别高的环境，实际上是接上一串电容的，1uf 100nf 10nf 1nf 四个并联使用或者再严格点中间再串上个电感，就是所谓的π型滤波。两边各一个电容到GND，中间串电感，正好像π形状。
为了滤除电源干扰无所不用其极。电源是所有设备能够工作的源头发动机，这个电源有问题，电路引发的故障很多。所以还是那句老话，电路有问题先修电源。
5V电源指示电路
这个图主电源电源指示灯，5V有了那么Green （绿色）发光二极管就亮了。
发光二极管是二极管的PN结上有一种发光物质，有了一定的电流就能驱动其发出一定颜色的光。具体什么材料就不说了，不同的材料发不同的光。发光二极管就不上图了吧！各位搜搜。
发光二极管是电流驱动型器件，也就是它需要一定电流才能发光，一般经验值3ma以上就能点亮，本身我们知道二极管有个压降，想想我们学过的二极管测量法就是量的这个压降。
首先二极管两端施加的电压要超过这个压降，它才可能发光，刚才说了还必须有电流，那么直接接上5V 3V 发光二极管因为电流太大就损坏了，所以串上个电阻。这个电路并着两个电阻，我们初中学过，并联电阻减小，两个1k的电阻并联就是500欧姆。
5÷500 = 0.01A = 10ma
所以有了5V 发光二极管就点亮了。
这里有很多人又有了疑问，我这里不是5V 而是200V呢？
大家看看身边的插排，上面有个发光二极管就是接的220V，但是串的电阻非常大（电阻怎么算 220÷0.01 =22k） ，这样也是可以发光的，并且不损坏，实际上大家经常碰到排插灯坏了，两个原因220V我们的交流电是不稳定的有时候远远超过这个，所以其实这个发光二极管要承受忽高忽低的电压，另外电阻还是小了，一般我们在设计电路是，以发光二极管发光为准，电阻越大越好，电流越小越好，寿命会比较长，发光二极管损坏的主要原因是发热，也就是电流大，比如说我们算出来22K，实际我一般上220K电阻，让二极管有不是很亮的发光即可，当然家用产品还得炫目，所以有些设计师就不考虑你的指示灯用多久了，反正当时买来看着灯挺漂亮的。谁叫咱们都是外观党呢？另外大家一般忍受力也挺强，反正不影响使用，也就不在乎了。
但是身为设计师，要明白什么是可靠性，什么是折中方案，有些可以妥协，但涉及到人身安全的设计一定要小心谨慎，实际一个指示灯可能引发触电事故，还是要慎重。
15.2 USB电源切换与3.3V电路
继续电源部分说明：
回溯5V电源主通路
1117-5V
下面是5V、3.3V的通路，其中3.3V给外部模块供电，5V给UNO Rev3 C区和A区供电。
5V3V3通路
切换与运放
VIN 二极管D1后端的一段电路输出，也就是NCP1117的输入端。
插上插座PWRIN则一直有+5V主供电，当接上USBVCC（USB线）如果两边同时给+5V后端电路供电，理论上，PWRIN 大于6.6V，T1这个mosfet会关断，usb这个供电会被切断，如果<6.6V,两条通路同时输出5V，5V经过LP2985 这个带开关的LDO产生一个3.3V电压给插座，如果外围模块有用这个电的，可以从这里取电。
当没有PWRIN供电，只有USB供电，因为PWRIN 为0V，T1打开，USB供电。（可以看前一节比较器）。
这一段切换，理论推导的，大家可以用proteus仿真确认下。
实际上，针对这个切换电路，可以考虑下，什么叫做人之常情，通用的、简洁的理解，当usb供电时，我为什么还需要外部再给一个另外单独的供电，直接用usb供电就行，所以仅有usb供电时，那么T1必然是打开的。
15.3 测试电路 SCK 跟随器类型的运放电路
sckpng
sck2png
sck3
sck 我们看到这个名称的线（网络线）接到了很多地方，它是arduino专门保留的测试引脚，烧写完程序，有个黄色发光二极管亮起了，A区核心单片机程序写好了。
sck U5.2 运放是一个跟随器的接法，跟随器是为了建立一个稳定的通道。Yellow（黄色发光二极管）跟随sck的电压高低变化。
设定sck高电平，就发光，低电平就灭掉。
总结：
电源部分基本讲完，还是过于简略，先建立一个大体的印象，这一节我们重申了Datasheet的重要性，核心部件的辨识，了解了发光二极管和切换电路。
学习电子知识最快的方式是在电路中认识元器件，而不是割裂开来，仅仅去学习电子元件的原理。实际上一个电子元件在不同电路中的作用是不同的。全靠猜看不懂，那么就proteus（或者其他仿真工具）仿真看看，要么搭建实际电路用示波器、万用表等量测。先整体上识别，再分析细节，学起来事半功倍。
下节转入C区学习通讯电路部分。
本节结束。
