TPS63031和3.7V 3000mAh锂电池，搭配TP4056充电管理给STM32H743ZIT6和Lattice iCE40 FPGA及多个模块供电电路原理图

<think>好的，用户的问题是关于设计一个包含TPS63031、TP4056充电管理芯片，以及为STM32H743ZIT6和Lattice iCE40 FPGA供电的电路原理图。首先，我需要理解用户的需求。他们希望使用3.7V 3000mAh的锂电池，通过TP4056进行充电管理，然后由TPS63031升压或降压为微控制器和FPGA提供稳定的电源。 首先，我应该考虑各个芯片的功能和连接方式。TP4056是单节锂电池充电芯片，负责管理锂电池的充电过程，包括恒流和恒压充电阶段。而TPS63031是一个升降压转换器，能够根据输入电压调整输出，适合锂电池电压变化的情况，因为锂电池的电压在3.0V到4.2V之间波动，而STM32H743ZIT6和FPGA可能需要3.3V或更低的电压，比如1.2V或2.5V的内核电压。 接下来，需要确定各个部件的电压需求。STM32H743通常需要3.3V的VDD，而某些引脚可能能承受更高的电压。FPGA比如iCE40可能有不同的电压需求，比如核心电压1.2V和IO电压3.3V。因此，可能需要多个电压轨，或者使用LDO从3.3V降压得到。 然后，考虑TP4056和TPS63031的连接。TP4056的输出直接连接到锂电池，而锂电池的输出作为TPS63031的输入。TPS63031需要配置为输出3.3V，这样可以直接供给STM32和FPGA的IO部分。如果FPGA需要更低的电压，可能需要额外的LDO或DC-DC转换器。 同时，需要注意电流需求。3000mAh的锂电池在3.7V下大约能提供11.1Wh的能量，但实际使用时需要考虑各个部件的功耗，尤其是FPGA和微控制器的运行电流，以及转换效率。TPS63031的最大输出电流为2A，需要确认是否足够，否则可能需要更大电流的转换器或并联方案。 此外，电源路径管理也很重要，确保在充电时系统可以由USB供电，同时电池也在充电。TP4056的PROG引脚需要配置合适的电阻来设置充电电流，比如1.2KΩ对应1A的充电电流，但需要考虑电池的充电速率是否支持，避免损坏电池。 关于STM32H743的电源设计，还需要参考其数据手册，注意模拟部分和数字部分的供电，可能需要单独的LDO来提供更干净的电源，尤其是ADC等模拟模块。同时，STM32H743的高速运行需要稳定的电源，TPS63031的输出需要足够的滤波电容，并且布局时要减少噪声干扰。 对于FPGA部分，iCE40可能需要的核心电压较低，如1.2V，可以使用LDO从3.3V降压得到，或者使用另一个高效的DC-DC转换器。需要检查iCE40的功耗，确保LDO或转换器能够提供足够的电流，同时注意散热问题。 在原理图设计中，需要注意各电源模块的布局，尽量减小回路面积，使用适当的去耦电容，比如在每个芯片的电源引脚附近放置0.1μF和10μF的电容。同时，TP4056的热管理也很重要，充电时会产生热量，需要足够的散热措施，比如铺铜或散热孔。 另外，用户提到的STM32H743ZIT6的TCM RAM和MPU配置可能影响电源设计，但在这个问题中主要是硬件供电，可能不需要深入软件配置。不过，需要注意高速信号部分的电源完整性，确保内核和内存的稳定供电，可能需要分开供电或使用磁珠隔离不同电源域。 最后，用户可能需要参考现有的开发板原理图，比如STM32H743ZIT6的官方原理图，来确保正确的电源连接和外围电路设计。同时，检查TPS63031和TP4056的典型应用电路，按照数据手册推荐的设计进行布局和元件选型。 可能的问题包括：如何计算各个电源模块的元件参数，比如电感、电容的选择；如何处理电池充电和系统用电的切换；如何确保不同电压轨的时序要求；以及如何进行电源完整性分析和测试。此外，用户可能关心如何优化效率，延长电池寿命，或者如何处理多个负载同时工作时的电压波动。</think>### 设计方案及参考电路图 #### 1. 系统架构设计 该供电系统需实现以下功能： - **TP4056**负责锂电池充电管理，输入为USB 5V，输出为锂电池3.7V - **TPS63031**作为升降压转换器，将锂电池电压（3.0-4.2V）稳定至3.3V - 3.3V主电源供给STM32H743ZIT6和iCE40 FPGA的I/O供电 - 通过LDO从3.3V降压至1.2V供给FPGA核心电压（如需要） 电路架构框图： ``` USB 5V → TP4056 → 锂电池(3.7V) → TPS63031 → 3.3V主电源 ├─STM32H743 └─iCE40 FPGA ↓ LDO → 1.2V ``` #### 2. 关键电路设计要点 **TP4056充电电路**： - 充电电流设置：$R_{PROG}=1.2kΩ$对应1A充电电流[^1] - 典型应用电路： ``` VBUS(5V) → IN+ → BAT+ → 锂电池 │ │ PROG TEMP ↓ ↓ 1.2kΩ NTC ``` **TPS63031升降压电路**： - 输出电压配置：$R1=200kΩ$, $R2=100kΩ$可得3.3V输出（$V_{out}=0.8*(1+R1/R2)$） - 电感选型：推荐4.7μH/3A功率电感 - 输入输出电容：至少10μF陶瓷电容（低ESR） **STM32H743供电**： - 需为VDD(3.3V)、VDDA(3.3V)、VBAT(3V)分别供电 - 注意在VDD引脚就近放置100nF+10μF去耦电容[^2] **iCE40 FPGA供电**： - I/O电压：直接使用3.3V - 核心电压：建议使用LP5907等LDO从3.3V降压至1.2V #### 3. 参考原理图片段 ```plaintext TP4056充电电路 USB_Micro ─┬─IN+─────────────┬─ BAT+ → 锂电池 │ │ GND PROG ── 1.2kΩ → GND TPS63031升降压电路 锂电池(3.7V) ─┬─ EN FB ──┬─ 200kΩ │ │ └─ 100kΩ → GND │ └─ 4.7μH ──→ 3.3V输出 └─ GND SW │ └─ 10μF ×2 STM32H743供电 3.3V ─┬─ VDD → 100nF+10μF → GND ├─ VDDA → 100nF+10μF → GND └─ VBAT → 3V电池 → 100nF → GND iCE40 FPGA供电 3.3V → LP5907 → 1.2V → 100nF ×2 → FPGA_CORE ``` #### 4. 关键参数计算 - **系统功耗估算**： $$ P_{total} = P_{STM32} + P_{FPGA} + P_{LDO} $$ 假设： - STM32H743工作电流：[email protected] → 0.495W - FPGA核心电流：[email protected] → 0.36W - LDO效率90% → 0.36/0.9=0.4W → 总功耗约1.255W - **电池续航时间**： $$ t = \frac{3000mAh × 3.7V}{1.255W} × 0.7 ≈ 6.2小时 $$ （效率系数取0.7） #### 5. 布局建议 1. 将TP4056靠近USB接口布置，注意散热处理 2. TPS63031的电感、电容应就近布局，输入输出走线加粗 3. 数字与模拟电源使用磁珠隔离[^3] 4. STM32的VDDA使用独立LC滤波器