[教學] Raspberry Pi供電系統


圖片來源:MxL7704 PMIC Powers the Raspberry Pi 4

樹莓派目前使用中的供電系統是在 3B+ 開始改用的。供電系統的好壞對樹莓派來說是非常重要,一個運作良好的供電系統可以確保整塊板子的各功能運作正常,一旦供電出問題時,可能對板子所有功能造成各種問題,例如 USB、WiFi 功能失效或不正常,最嚴重的慘況就是讓整塊板子完全停擺變成一塊磚頭。

《供電系統之演進》
樹莓派供電系統的演進可以分成三個階段:

《第一階段是 Pi2 以前的供電》
重點提示:這代整體的供電源頭是來自於 Micro USB 5V,再轉換成 3.3V、2.5V、1.8V等部份供給系統上元件使用。


圖片來源:Introducing the Raspberry Pi Model B+

接著來看看電路圖了解電源是怎開始的。電源從左側MICRO USB TYPE B這接頭端開始,經過 F3 保險絲再來到 D17 TVS(Transient voltage suppressor)及後端的濾波電容。

這樣的電路設計有什麼優點:

  • 電路設計簡單,價錢便宜。
  • 保護電路避免外部供給的電壓異常偏高或電極接反。
  • 當耗電超過 1A 的電流時提供必要的保護。

缺點是:

  • 當外部提供的電源不足 5V 時例如 4.5V,這對系統所需的 5V 來說是不夠的,此時沒有額外的電路可以修復電壓過低的問題。
  • 當 USB 線太細或是品質不良時而 USB 埠的供電若只有 4.5V 或 4.75V 時就很容易造成額外的壓降。
  • 當電源上有雜訊或是波動的話對樹莓派及接在其 USB 上的週邊來說都是一個風險。
  • 當樹莓派上的 USB 接上其它週邊時,若有突如其來的過大電流消耗有可能會導致整路 5V 掉電。


圖片來源:Introducing the Raspberry Pi Model B+

除了 5V 之外系統還需要幾組供電:3.3V、2.5V 及 1.8V,從圖上可以看到左上方5V開始之後經過三個穩壓 IC-NCP1117-3v3、LP2980-2v5、NCP1117-1v8 則可分別轉換出這三組電壓。

《第二段階段是 Pi3B 時的供電》
重點提示:這版的設計較前版來說是相對的可靠並減少了之前 5V 掉電的問題。

這時期的電源還是使用 Micro USB 接頭,保險絲可提供的保護升高到 2A,接著 Q3 是一個 P-通道的 MOSFET(金氧半場效電晶體) 可提供錯接極性的保護,比起多數的二極體至少會有 0.5V 的壓降來說,這顆只有 52mΩ。所以當系統耗電最大到 2A 時則只會有 0.1V 的壓降,最後來到 D5 TVS 二極體可提供過電壓的保護。

至於 3.3V 及 1.8V 供電的部份,原本的 LDO(線性穩壓器)不用了,取而代之的是降壓轉換器 Buck Converter(降壓變換器)。這顆轉換 IC 可提供較好的轉換效率,轉換中產生的熱能也較少,相對的價格上也比以前稍微貴了點。

根據這顆 IC 上的印刷C2=CGU0, 可以找到 RT8020AGQW 相關規格:
最大供電達 1A, 雙輸出降壓轉換器,轉換效率達 95%,意謂轉換過程中損失的電流較少。


最後這塊 5V 轉 5V 的電路,主要是提供 USB 週邊的熱插拔使用之電源保護電路。

《第三階段則是 Pi3B+ 之後使用的 PMIC
重點提示:這代的供電隨著 CPU 和週邊等效能提昇以及開機供電必要的順序,所需的電源複雜度也跟著提昇。為滿足這複雜的供電系統於是便使用上 PMIC(Power Management Integrated Circuit)



圖片來源:More power to your Pi

外部電源 5V 還是使用 Micro USB 接頭,這部份線路跟之前的設計一樣。


圖片來源:More power to your Pi

接著 5V 做為 PMIC-MXL7704 的源頭,之後 LDO 輸出一組 3V3A 以及另外四組供電:3V3、1V8、DDR_1V2 及 VDD_CORE。

最後這塊5V轉5V的電路與前版設計一樣。

Pi3B+ 的問題》
Pi 3B+ 在 2018 年發行後隨著使用者的增加,我們陸續收到使用者回報板子無法開機的問題,這是過去幾代板子未曾遇到的情況。

絕大部分的狀況是板子無法開機,但電源指示燈是有亮的,理論上是供電系統正常,但板子有問題沒有畫面輸出,UART 也沒有任何訊息輸出。

但如果檢查板子上 I/O pin 腳上的電源,結果是 5V 正常但 3V3 沒電,在追本溯源後發現是 PMIC 本身 3V3 就不輸出了。表示 PMIC 壞了,所以供電出問題,板子無法正常動作。

FAQ:到底是什麼原因會讓 PMIC 壞掉? 前四名依序為

  • 使用 I/O pin 腳時不小心讓 3.3V 的電短路。這邊說的短路包含碰觸到 5V,接地(GND)或是與其它的I/O pin。
  • 使用 I/O pin 腳時,輸入電壓超過可承受的 3.3V,例如接上訊號準位為 5V 的感測器。
  • 使用不合適的電源供應器。因為電壓/電流的不穩定讓 PMIC 損壞。
  • 在沒有移除外部電源的情況下插拔 HDMI 線材。

FAQ:PMIC 壞了可以修嗎? 板子還有救嗎?
接著我們把 MXL7704 換掉嘗試著修復板子,有些可以救回,有些連 CPU 都打壞了要救就更麻煩了。以整個成本效益來說,如果是 PMIC 或CPU 燒壞的這些情況下是不值得修。所以我們每次面對使用者或是學員在使用 3B+ 的 I/O pin,總是不厭其煩的提醒務必小心檢查。

傷心的人總是不會孤單,這問題在國內外都有使用者遇到,原廠也表示這種歸咎於使用者短路的情形下造成板子壞掉是不提供保固的。所以一定要小心檢查,小心檢查,小心檢查。

另外國外有網友 Tilde Thurium 還提供了幾個把 3B+ 搞壞的方式:3 Ways To Brick Your Raspberry Pi,前段的內容剛好是其中情況之一。話說正常的人應該不會想把自己的 3B+ 搞壞,而是藉由慘況提醒使用者注意。

假設你在賣場上找了一個 USB充電器,看起來輕薄實惠還支援快充

這時你就得注意一下規格:

記得前述提到過的 F1 保險絲,它提供的是過電流保護不是過電壓保護,若你插入不符規格的電壓到板子上,板子很有機會一下就燒壞了,所以使用非原廠的 USB 電源還是得注意一下。

Pi4 硬體規格的提昇》
1. 使用 Broadcom 2711 四核心晶片(原本為 BCM2837B0)Quad-core Cortex-A72 64-bit SoC,單核心時脈可達 1.5GHz。
2. 三種記憶體(LPDDR4 SDRAM)大小可選擇,分別是 1GB, 2GB, 和 4GB。
3. 乙太網路(Ethernet)達 True Gigabit Ethernet。
4. 支援藍牙5.0(Bluetooth 5.0)。
5. 兩個 USB 3.0 和 兩個 USB 2.0。
6. 支援雙銀幕輸出,解析度可達 4K。
7. 使用 VideoCore VI,可支援 OpenGL ES 3.x。
8. 可硬體解 4Kp60 HEVC 影片。


這代的 Pi 隨著硬體的升級在供電的部份也做了些改變,主要是支援兩個 USB 3.0 port 以及供電的 Adapter 也提升到 3A,接頭則換成USB Type-C



接著來看電路的部分,供電接頭的部分可以看到 pin 腳數變多了,這些都是 USB Type-C 標準的介面,主要還是取用 5V 的電進來,但這部分的線路設計在最初版本有點失誤,會導致符合 E-marker 規範的 USB 電源線反而無法使用,而原廠及一般的 USB type-c 電源則沒問題,使用上要稍微注意。


接著 5V 把電供給 PMIC 再轉換出另外幾組需要的電,這部分線路跟前一版本比大同小異,主要多做了一點保護,避免發生如 3B+ 那樣容易損壞 PMIC。

《參考資料:》
* Introducing the Raspberry Pi Model B+
* More power to your Pi
* MxL7704 Data Sheet
* SHORTING PINS ON A RASPBERRY PI IS A BAD IDEA; PMIC FAILURES UNDER INVESTIGATION
* 3 Ways To Brick Your Raspberry Pi
* MaxLinear’s MxL7704 PMIC Powers the Raspberry Pi 4
* Powering the Pi 4 – safe voltage levels and current requirements

責任編輯:Ledger

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