第三章 电源树设计：从电池到各电压域（3.3V、1.8V、1.0V）的电源树拓扑结构
好，咱们进入正题。电源树设计，说白了就是搞清楚电是怎么从电池流到每个芯片的。你想想看，一个洪水预警系统里，有MCU、有FPGA、有无线模块、有传感器，它们要的电压都不一样。3.3V、1.8V、1.0V，这三个电压域怎么来？怎么分配？这就是电源树要解决的问题。
我个人习惯，画电源树之前，先列一张表。把每个负载的电压、电流、纹波要求、上电时序都写清楚。别嫌麻烦，这一步省了，后面调试的时候有你哭的。我在项目中遇到过好几次，因为漏看了一个模块的启动电流，结果系统一上电就保护了。
3.1 电源树的层级结构
从电池到各电压域，一般分三级：
- 第一级：电池到预稳压。电池电压范围宽，比如3.7V锂电，满电4.2V，放电到3.0V。直接给后级用？不行。纹波大，电压不稳。所以先过一个预稳压，把电压稳住。
- 第二级：预稳压到中间总线。我习惯用5V或3.8V作为中间总线。为什么？因为后级的LDO和DC-DC在这个电压下效率最高。你想想看，如果直接从电池给1.0V供电，压差太大，效率低得可怜。
- 第三级：中间总线到各电压域。3.3V、1.8V、1.0V，分别从中间总线取电。这里要注意，每个电压域要独立供电，别串在一起。否则一个模块短路，整个系统都挂了。
核心原则：电源树设计要遵循「先稳后分、逐级降压」的思路。不要试图用一个DC-DC搞定所有电压，那是不现实的。
3.2 各电压域的需求分析
咱们具体看看这三个电压域都喂给谁：
| 电压域 | 典型负载 | 电流需求 | 纹波要求 | 上电时序 |
|---|---|---|---|---|
| 3.3V | MCU I/O、传感器、无线模块、电平转换 | 200-500mA | <50mV | 最先上电 |
| 1.8V | FPGA辅助电压、DDR内存、PLL供电 | 100-300mA | <30mV | 其次上电 |
| 1.0V | FPGA核心电压、高速逻辑 | 500mA-2A | <10mV | 最后上电 |
嗯，这里要注意。1.0V的纹波要求最严格，10mV以内。为什么？因为FPGA核心电压低，逻辑电平裕量小。纹波一大，时序就乱了。我曾经在一个项目里，1.0V纹波测出来15mV，结果FPGA跑着跑着就报时序错误。后来换了低ESR的电容才搞定。
3.3 拓扑结构选择
常见的电源树拓扑有三种：
- 级联式：电池→DC-DC(5V)→LDO(3.3V)→LDO(1.8V)→LDO(1.0V)。优点是简单，缺点是效率低，尤其是1.0V那一路，从5V降到1.0V，效率只有20%。
- 并联式：电池→DC-DC(5V)，然后分别用三个LDO从5V取电。优点是各电压独立，缺点是5V到1.0V的压差还是大。
- 混合式：电池→DC-DC(3.8V)，然后3.3V用LDO，1.8V和1.0V用DC-DC。这是我最常用的方案。效率高，纹波也能控制住。
我的建议：对于洪水预警这种电池供电的系统，优先选混合式。3.3V用LDO，因为电流小，LDO的噪声低。1.8V和1.0V用DC-DC，因为电流大，效率是关键。
3.4 具体设计实例
拿我去年做的一个项目举例。电池是3.7V锂电，容量5000mAh。系统需要3.3V、1.8V、1.0V三个电压域。我的电源树是这样的：
电池(3.0-4.2V)
│
├─ DC-DC升压至5.0V (预稳压)
│ │
│ ├─ LDO 3.3V (给MCU、传感器、无线模块)
│ │ └─ 输出：3.3V @ 300mA
│ │
│ ├─ DC-DC降压至1.8V (给FPGA辅助电压)
│ │ └─ 输出：1.8V @ 200mA
│ │
│ └─ DC-DC降压至1.0V (给FPGA核心)
│ └─ 输出：1.0V @ 1.2A
│
└─ 电池直接供电 (给电机驱动、大功率传感器)
└─ 注意：需加过流保护
你可能会问，为什么先升到5V再降压？不浪费能量吗？嗯，这里有个权衡。升压到5V，是为了给后级的DC-DC留足压差。尤其是1.0V那路，如果直接从3.7V降压，占空比太小，开关损耗大。升到5V后，占空比在20%左右，效率能到85%以上。
注意：升压到5V这一步，要选静态功耗低的DC-DC。洪水预警系统大部分时间在待机，静态电流如果超过10μA，电池很快就耗光了。我推荐用TPS61099，静态电流只有1μA。
3.5 上电时序控制
FPGA对上电时序有严格要求。一般是3.3V先上，然后1.8V，最后1.0V。如果顺序反了，FPGA内部可能会锁死，甚至烧坏。
怎么控制时序？有三种方法：
- RC延时：简单便宜，但不精确。适合对时序要求不高的场合。
- 电源监控芯片：比如TPS3808，可以设置延时时间。精度高，但成本稍高。
- FPGA自身控制：让FPGA的I/O口控制后级电源的使能脚。前提是FPGA先有电。
我个人习惯用第二种。RC延时受温度影响大，冬天和夏天延时能差一倍。我曾经在北方做测试，零下20度，RC延时从10ms变成了30ms，结果FPGA启动失败。后来换了电源监控芯片，再没出过问题。
3.6 电源树仿真与验证
画完电源树，别急着打板。先仿真一下。我用LTspice比较多，免费，而且模型全。仿真主要看三点：
- 启动波形：各电压的上电顺序对不对？有没有过冲？
- 纹波：满载下纹波是否在要求范围内？
- 效率：从电池到各电压域的总效率是多少？
仿真通过后，再画PCB。布局时注意：大电流路径要短，反馈线要远离电感，电容要靠近负载引脚。这些细节，做多了自然就记住了。
总结一下：电源树设计不是简单的「找个芯片降压就行」。你要考虑效率、纹波、时序、成本、体积。每个选择都有 trade-off。我的经验是，先列需求，再选拓扑，然后仿真验证，最后画板调试。按这个流程走，基本不会翻车。
好，这一章就到这里。下一章咱们聊聊电池选型和充电管理，那也是个坑多的地方。