在模组的外围电路设计中，合理的供电设计是保障模组正常运行的前提。本文将从电源电路设计、电容设计以及供电控制电路设计等方面阐述模组外围电路设计的注意事项。
一、电源电路设计
要设计出合理的电源电路，首先要了解模组对电源的要求，表1列出了几款主流模组对电源的不同要求。
| 模组型号 |
制式 |
电压范围 |
电压典型值 |
峰值电流 |
尺寸（mm） |
| M5310-E |
NB-IoT |
2.1V ~ 4.2V |
3.6V |
0.5A |
19*18.4*2.2 |
| M5311-LV |
NB-IoT |
2.1V ~ 3.6V |
3.3V |
0.5A |
16*18*2.2 |
| M5311-CM |
NB-IoT |
3.0V ~ 3.6V |
3.3V |
0.5A |
16*18*2.2 |
| MN316-DLVD (低压版) |
NB-IoT |
2.2V ~ 4.2V |
3.3V |
0.5A |
16*18*2.2 |
| MN316-DBRD |
NB-IoT |
3.1V ~ 4.2V |
3.6V |
0.5A |
16*18*2.2 |
| ML302A |
LTE Cat.1 |
3.3V ~ 4.3V |
3.8V |
2.75A |
32*29*2.45 |
| ML305A |
LTE Cat.1 |
3.3 ~ 4.3V |
3.8V |
2A |
22.9*21.9*2.4 |
| ML307A |
LTE Cat.1 |
3.4V ~ 4.5V |
3.8V |
2A |
17.7*15.8*2.4 |
| ML305U |
LTE Cat.1 |
3.3V~4.5V |
3.8V |
2A |
22*23*2.2 |
| F03X |
5G NR |
3.3V ~ 4.4V |
3.7V |
4.15A |
30*52*2.3 |
| MF310 |
5G NR |
3.3V ~ 4.4V |
3.7V |
3A |
52*30*2.3 |
表1不同型号模组对电源的需求表
在对电源芯片选型时，总的原则是供电能力充足，电压输出纹波小，瞬间负载响应快，建议客户按照模组的电压典型值进行设计。
供电方式可选择LDO、DC/DC或直接由电池供电。其中LDO适用于输入输出压差较小、电流较小的情况；DC/DC则适用于输入输出压差较大、需求电流较大的情况。具体选型应从效率、成本、噪声、散热、低功耗要求等多方面综合考虑。表2列出了LDO与DC/DC的优缺点。
| 优点 |
缺点 |
|
| LDO |
低噪声、低成本、低静态电流、外围器件少 |
效率低、不能升压 |
| DC/DC |
高效率、可升压、宽输入、输出电流大 |
噪声大、纹波大、外围多、成本高 |
表2LDO与DC/DC的优缺点
在模组的工作期间内，需保证电源跌落在模组供电范围之内，否则可能会出现模组异常重启等问题。图1为LDO_MIC29302电路参考设计。
图1 LDO_MIC29302参考设计电路图
其电路元件功能解析如下所述：
- 此设计输入电压是5V，在输入上并联了470uF和0.1uF的电容，起到稳压、滤波及旁路作用。
(2) EN是使能引脚，高电平有效，此处直接连接到VIN，默认不控制，上电即使能LDO工作。
(3) ADJ是LDO的反馈引脚，此引脚通过反馈电阻R38和R43对输出电压采样，将采集的电压输入到比较器反向输入端，与正向输入端的基准电压进行比较，再将比较结果通过放大电路放大，放大后的信号（电流）通过控制晶体管的导通电压进而控制输出电压。
(4) R49是LDO的假负载，由于此型号的LDO内部调整管需要一定的电流才能正常工作，所以在空载的情况下，LDO将不能输出正确的电压，故在VOUT串接一个阻性假负载，阻值根据LDO的最小负载电流和输出电压值计算得到。（现在部分LDO型号无需此假负载，使用时请仔细阅读器件规格书。）
(5) C109、C110、C111同样起到滤波稳压和去耦的作用。
(6) D45是TVS或者稳压管，反向击穿电压为5V，可起到防止尖峰电压或者过压损坏模组。
DC/DC常见拓扑类型有BUCK降压式、BOOST升压式、BUCK-BOOST升降压式。
电源类型可分为隔离型（输入地与输出地没有关系）和非隔离型，常见为非隔离型。根据续流元件不同可分为同步型与异步型，同步整流采用通态电阻极低的MOSFET管替代二极管续流，降低开关损耗，同时提高转换效率。
模组相关的设计中，多为降压式非隔离的DC/DC方案，以项目中用到的一颗TPS54302DDCR为例，下面介绍一下DC/DC外围元件功能及相关设计要求。
由规格书可知，TPS54302是低EMI干扰的同步整流降压转换器，它的输入电压范围是4.5V至28V，最大可持续输出电流为3A。因为是同步型，所以不需要外部续流二极管。
图2 TPS54302参考设计电路图
此电路输入电压VIN是24V，应用于ML307A模组，设置的电压输出是4V。其中各元件解析如下所述：
(1) D2是TVS管，客户的VIN是由AC/DC开关电源供电，上电瞬间易引起尖峰电压，因此设计D2起过压保护作用。
(2) D6是肖特基二极管，起防止电源反接作用，肖特基二极管导通压降较小。
(3) C24是芯片的输入滤波电容，与LDO中输入电容功能相同，设计时不可省略，且需注意此电容的耐压值，应根据输入电压实际选择，此例中必须大于35V。
(4) C13是自举电容，作用是开启开关电源芯片内部high-side MOSFET管。
(5) L1是功率电感，电感基本作用是隔交通直，它会阻碍电流的变化，此处作用是储能并进行电能和磁能的相互转换，选型时需注意电感值、饱和电流和温升电流参数。
(6) R13、R16是输出电压调节的反馈电阻，调整它们的比值，可以改变输出电压的值，输出电压计算公式为：VOUT=Vref*(R13/R16 + 1)，Vref是FB引脚的反馈参考电压，不同芯片Vref不同，此芯片的Vref为0.596V。
(7) C2是预留的一颗前馈电容，可改善响应速度，提升控制性能，一般无需设计此电容。
(8) C14、C23是输出滤波电容，与电感组成低通滤波器，滤除高频干扰，稳定输出电压，减小纹波作用。
(9) EN引脚是使能脚，根据手册描述，此引脚内部拉高，浮空状态默认使能。
二、电容设计
电容设计常见问题及解决方法见表3
| 问题 |
解决方法 |
|
| 1 |
模组VBAT上未接储能及滤波电容 |
参考硬件手册添加电容 |
| 2 |
有极性的电容正负极接反，如钽电容、电解电容等 |
修改原理图，调整极性 |
| 3 |
所选电容耐压值与实际电压值不符，造成输入电压过高时电容损坏 |
更换电容耐压值选型 |
| 4 |
所选电容ESR参数过高，造成漏电流大，滤波效果不好 |
更换电容选型 |
表3电容设计常见问题及解决方法
三、供电控制电路设计
在电路设计是，如开关芯片功率过小，不满足模组峰值电流的供电要求，需更换开关芯片；如自搭PMOS开关控制供电，未设计软启动电路，造成电压跌落严重，则需要设计软启动电路，如图3所示。
图3 用PMOS管搭建负载开关电路图
此设计是用PMOS管搭建的负载开关电路，通过PWR_NB输出低电平来控制V_NB上电。客户的问题是在控制MOS管导通上电时，电源电压跌落严重，导致设备重启。经分析，是因为MOS管导通速度过快，接了较多容性负载，在突然上电时，容性负载迅速充电，因此瞬时电流过大，导致了电源电压的跌落。后建议客户按照图中设计加上软启动电路后，问题解决。
软启动电路的实质是利用S和G之间的电容充放电，实现减缓MOS管的开启速度，从而使得后面的大容性负载缓慢上电，避免了尖峰电流的产生。
四、电源引脚保护设计
如终端输入电压大于5V时，模组供电电路需要设计防尖峰电压的二极管，防止模组被烧坏。如图4案例，终端采用24V供电，模组VBAT_引脚未设计TVS或ESD二极管保护。若DC/DC芯片损坏，24V电源将直接灌到模组的VBAT，烧坏模组。
图4 VBAT引脚错误设计示例图
五、注意事项
5.1电源、GND不可漏接
部分模组有多路供电，在设计电路时，需要将每一路电源都接上，保障供电稳定；其次是需要将GND全部接上，可起到散热、固定模组的作用。
图5 电源、GND漏接示例图
5.2网络名不一致
在原理图中，网络名相同表示已连接，网络名不同则未连接。
图6中，客户的VCC_BAT是供电网络名，+5V经过SS34和1N4007降压到VCC_BAT，再接了C8、C9、C10、C11，正确的方式应该接到模组的供电引脚上，但图中模组的VBAT引脚网络名是VCC_3.3V，与VCC_BAT网络名不同，因此VCC_BAT实际未供电给模组，此种情况下，将网络名修改为相同即可。
图6 网络名不一致示例图文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-834794.html
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