第三章 点钞机核心负载分析：电机驱动特性、传感器阵列功耗、主控芯片电源需求
做点钞机电源设计，说白了就是跟三个“大胃王”打交道：电机、传感器、主控芯片。这三兄弟各有各的脾气，摸透了它们，电源方案就成功了一大半。
我刚开始接触点钞机项目时，犯过一个低级错误——只算了总功率，没考虑动态特性。结果样机一跑，电机启动瞬间电压直接掉到3V以下，主控复位了。嗯，从那以后我再也不敢只看“稳态”了。
3.1 电机驱动特性：启动电流是最大的坑
点钞机里用的电机，通常是直流有刷电机或者步进电机。负责搓钞、分钞、传送。
先看直流有刷电机。它的启动电流有多大？我实测过一款常见的RS-380电机，额定电流0.5A，堵转电流能到3.8A。启动瞬间，电流冲击大概是额定值的5~8倍。
关键参数：
- 额定电压：12V / 24V（常用）
- 额定电流：0.3A ~ 1.5A
- 启动电流：2A ~ 8A（持续10~50ms）
- 堵转电流：3A ~ 10A
为什么会这样？电机静止时，反电动势为零，绕组相当于纯电阻。你想想看，电阻才几欧姆，电流自然大。
步进电机呢？它的特性不太一样。步进电机靠脉冲驱动，电流是阶梯状变化的。我习惯用恒流斩波驱动，比如DRV8825或者A4988这类芯片。它们会把电流限制在设定值，但电源侧仍然会有瞬态尖峰。
举个例子，一个两相步进电机，每相额定1.5A，两相同时导通时，电源需要提供3A的持续能力。但别忘了，换相瞬间电流变化率很高，di/dt可能达到1A/μs。这时候电源的瞬态响应就很重要了。
我的经验：电机驱动电源，至少留出2倍余量。比如电机额定1A，电源按2A设计。启动电流靠大电容扛，我一般每安培配1000μF电解电容。
3.2 传感器阵列功耗：看似小，加起来吓人
点钞机里的传感器种类不少：
- 红外对管（检测纸币位置）
- 磁头（检测磁性油墨）
- 紫外传感器（检测荧光）
- 厚度传感器（检测重叠）
- 图像传感器（CIS接触式图像传感器）
单个传感器功耗确实不大。红外LED一般20mA，磁头几毫安，紫外灯管稍微费电些，也就100mA左右。
但问题在于数量。一台点钞机里，红外对管可能有20对，磁头6~8个，紫外灯2~4根，CIS传感器本身功耗也不小。
| 传感器类型 | 单路功耗 | 典型数量 | 总功耗 |
|---|---|---|---|
| 红外对管（LED+接收） | 30mW | 20 | 600mW |
| 磁头 | 50mW | 8 | 400mW |
| 紫外灯管 | 500mW | 2 | 1000mW |
| CIS传感器 | 800mW | 1 | 800mW |
| 厚度传感器 | 100mW | 1 | 100mW |
| 合计 | 约2.9W |
你看，加起来快3W了。这还没算驱动电路本身的损耗。
我遇到过一个问题：传感器阵列的电源纹波太大，导致CIS图像出现条纹。排查了半天，发现是红外LED的脉冲驱动和CIS的供电共用了同一路LDO。后来我把它们分开供电，问题就解决了。
注意：传感器电源对噪声敏感。尤其是CIS和磁头，它们的信号幅度很小（毫伏级），电源噪声会直接耦合到输出。我建议：
- 模拟传感器用单独的LDO供电
- 数字传感器（如CIS）用低纹波的DC-DC
- 红外LED用PWM驱动时，避开CIS的采样窗口
3.3 主控芯片电源需求：MCU和DSP各有讲究
点钞机的主控，早期用8位MCU，现在主流是ARM Cortex-M系列或者DSP。我见过用STM32F4的，也见过用TMS320F28系列的。
MCU的电源需求：
- 核心电压：1.2V ~ 1.8V（取决于工艺）
- IO电压：3.3V（大部分）
- 模拟电压：3.3V（ADC参考）
电流方面，一个Cortex-M4跑200MHz，核心电流大概100~200mA，IO电流看外设负载。整体功耗在0.5W以内。
DSP的电源需求：
- 核心电压：1.0V ~ 1.2V
- IO电压：3.3V
- 模拟电压：1.8V / 3.3V（PLL、ADC）
DSP的功耗比MCU大不少。我用的TMS320F28379D，双核跑200MHz，核心电流能到500mA以上。加上外设，总功耗接近2W。
上电时序很重要。很多DSP要求核心电压先于IO电压上电，或者至少同时。如果IO先上电，核心后上电，IO引脚可能会通过内部ESD二极管向核心灌电流，轻则工作异常，重则烧芯片。
我习惯的做法是：用一颗带使能脚的DC-DC产生3.3V，再用LDO从3.3V转出1.2V核心电压。LDO的使能脚用RC延时，确保核心先上电。或者直接用电源管理芯片，比如TPS65023这类，自带时序控制。
另外，主控芯片对电源纹波有要求。一般核心电压纹波要小于50mV，模拟电压纹波要小于10mV。DC-DC的开关噪声很容易超标，所以模拟部分一定要用LDO二次稳压。
3.4 综合负载特性与电源设计要点
把三个负载放在一起看，点钞机的电源需求就很清楚了：
| 负载 | 电压 | 电流（峰值） | 特性 |
|---|---|---|---|
| 电机 | 12V / 24V | 3~10A（启动） | 瞬态大电流，感性负载 |
| 传感器阵列 | 3.3V / 5V / 12V | 1~2A | 噪声敏感，需低纹波 |
| 主控芯片 | 1.2V / 3.3V | 0.5~1A | 多电压域，需时序控制 |
我个人习惯把电源分成三路：
- 电机驱动电源：12V或24V，直接从输入取电，加个大电容。用独立的DC-DC或者LDO？不，电机不需要高精度，直接电池或适配器供电就行。
- 传感器电源：5V或3.3V，用低噪声LDO。如果传感器数量多，可以分两路：一路给红外LED（电流大，噪声容忍度高），一路给CIS和磁头（低噪声）。
- 主控电源：先产生3.3V，再转核心电压。注意上电时序和纹波要求。
避坑指南：我曾经在电机驱动和主控共地的问题上吃过亏。电机启动时，大电流在地线上产生压降，导致主控的地电位被抬高，ADC读数乱跳。后来我把电机驱动的地和主控的地用星形连接，单点接地，问题就解决了。
嗯，核心负载分析就讲到这里。下一章我们会具体讲电源拓扑怎么选，是Buck还是LDO，怎么算效率。你想想看，搞清楚了负载特性，选型才有依据，对吧？