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两个常用的负电压电路设计 我收藏了!

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关键词:负电压,电荷泵,反极性Buck-Boost

在电路设计中,经常碰到需要负电压的场景,比如运放电路。什么负电压?产生负电压的原理是什么?在本期通用电路抄作业中,将会一一解答,并且还设计了两款负电压电路,方便大家使用。

什么是负电压?

我们都知道,电压是衡量两点之间电势差的物理量。当某一点的电压是“+5V”或“-5V”时,必须明确这是相对于哪个参考点来说的。这个参考点通常被称为“地”或“0V”。“地”可以是一个公共接地点、电源的负极、也可以是电路中选择的任意一点作为参考基准。

如果一个点相对于参考点的电位更低,那么这个点的电压就是负的。

举个简单的例子,一节标准的1.5V电池。如果我们定义电池的‌负极为参考点‌(0V),那么正极相对于负极就是+1.5V。如果我们定义电池的‌正极为参考点‌(0V),那么负极相对于正极就是-1.5V了。

电池电压本身没有变,两极之间始终是1.5V的电位差,但我们选择的参考点能决定每个点的电压是正,还是负。

负电压的应用场景

在许多应用场景中,都需要使用到负电压。比如:

第一种放大器电路,信号调理模块、传感器接口电路等运放电路,或者在一些精密仪器、数据采集系统、医疗设备中的生物电信号处理,运算放大器需要有对称的正负电源,确保信号能在零电平上下波动,实现高精度放大或滤波。

第二种通信系统,比如RS-232接口使用 ‌-3V~-15V‌ 表示逻辑“1”,+3V~+15V表示逻辑“0”,这样正负电压差会远大于噪声干扰,增加了长距离传输时抗干扰能力。

第三种音频设备,高保真功放、音响系统中常见的B类音频放大器,需要正负电源驱动输出级晶体管,消除交越失真。

第四种航空航天设备,飞行器舵机控制器、传感器模块中的驱动执行机构或处理传感器信号时需负电压供电,确保系统抗干扰能力。

第五种测量仪器中,如示波器、信号发生器、频谱仪中,是用负电压为模拟前端(AFE)和高精度ADC提供双极性电源,保证信号的动态范围和线性度。

此外,还有显示设备、医疗设备,功率电子器件驱动等,也需要负电压。

负电压是如何产生的?

负电压产生的本质是通过储能元件,电容或电感,改变参考点的电位。核心原理有两种:

  1. 利用电容电压极性翻转特性,将正电压“搬移”为负电压,也就是电荷泵原理。

2)通过开关控制电感电流方向,实现电压极性反转,也就是反极性Buck-Boost拓扑。

我们先来看第一种,负压电荷泵的电路模型:

它的工作原理是这样的,当Vin为高电平Vh时,T1测试点的电压VT1是GND,Vin为电容C1充电,使C1左右两端的左右两端的电压差Vh。充电电流通过D1到达GND,同时也会使C2储存一些电荷。当Vin为低电平时,由于电容两端电压不会突变,所以对于电容C1来说,左右两端的电压差仍是Vh,左侧变为低电平以后,右侧VT1就变为了-Vh。此时,输出电流的方向是从Vo到T1,忽略D2上的压降,Vo的值将会介于0V与-Vh之间,实现了负压输出,并且受Vin频率与有效值影响。

上述分析中忽略了二极管的压降,实际应用中为了减小二极管的压降的影响,可以选用压降较低的肖特基二极管。

从上面的原理不难看出,电荷泵的输出电压是依赖输出电容所储存的能量的,所以电荷泵电路一般不用于大电流电路,一般用于DC/DC转换器辅助电压输出。

第二种,反极性Buck-Boost拓扑方式。

基础的DCDC拓扑电路有Buck、Boost、Buck-Boost。一般我们将可以生成负压的基本拓扑叫做反极性Buck-Boost。

在反极性Buck-Boost电路中,电源控制器通过控制mos管的G极电压来实现对开关管的通断。

当mos管Q1闭合导通时,电感L接到电源两端,此时的输入电压Vin,对电感进行充电,电感的电流逐渐上升。

由于导通瞬态时di/dt比较大,这个过程主要由Cin为电感供电,此时Q1相当于短路,电感L两端的电压为Vin,二极管D1截止,此时Cout放电位RL提供能力,所以Vout是负值是负的。

当Q1关断时,Vin给Cin电容充电。而由于电感的电流不能突变,流向不变,所以此时电感给电容Cout充电,同时也为负载RL进行供电。

电流的流向为:L1下端→负载电阻→肖特基二极管→L1上端。

RL的下端是GND,也就是说电压为0V,RL的电流方向为从下往上,根据电流的流向RL的上端电压Vout比其下端更低,所以输出Vout仍然是一个负值。

由此,通过不断控制Q1的开与关,可以让Vout持续为负电压。

负电压电路实测

介绍过两种最基本的负电压电路原理,我们就设计2个负电压电路。

首先是经典的电荷泵方案,这里我们采用TI的TPS60403电荷泵电压反相器芯片。这种集成式芯片的好处是电压精度高、纹波小的同时,体积也比较小。这类芯片除了TPS60403,还有很多,像TI的另外一款芯片LM27762,以及ADI的LTC3265、MAX1673 等等。

TPS60403是通过内部开关周期翻转外部电容器连接实现电压反转,而且不需要电感器。可以使支持 ‌1.6V 至 5.5V‌ 宽输入范围,兼容锂离子/镍氢/碱性电池或3.3V/5V稳压电源。最大输出电流 ‌60mA‌,典型转换效率 ‌>90%‌,固定250kHz‌ 开关频率,降低噪声设计复杂度,仅需 ‌3个1μF外部电容器‌(推荐X5R/X7R陶瓷电容)就可构建完整逆变电路。

这是焊接好的pcb,设置输入电源为+5V,我们测量一下其输出电压,可以测得的输出电压为-5V。

第二个实验的主角是经典的DCDC转换器,TPS5430。TPS5430本质是降压型DC-DC转换器,但通过‌反向升降压拓扑可以实现负电压输出。只需要对其电路接地端进行调整‌即可:原GND引脚改为负压输出端(-Vout),原VOUT引脚接地。

工作过程‌:

开关导通期‌:输入电压(Vin)对电感充磁,电流线性上升(负载由输出电容供电)。

开关关断期‌:电感极性反转,通过二极管向负载和电容释放能量,形成负压。

这是焊接好的pcb,因为TPS5430是降压型DC-DC转换器,所以使用时要求输入电压的绝对值大于输出电压的绝对值,所以我们设置输入电源为+5.5V,我们测量一下其输出电压,可以测得的输出电压为-5V。

通过以上讲解,相信大家对负电压电路有了更全面的了解,以上两个电路经过验证,可以直接放心使用。

小编的话:

了解负电压是设计负电压电路的前提。一个好的负电压设计可以增强信号处理能力、扩展动态范围、提高系统稳定性。同时,好的设计可以保护电路元件、降低干扰影响、降低功耗、提高电源利用率。此外,良好的负电压设计可以满足多种应用场景对负电压的不同需求,便于系统扩展和升级,提升系统的兼容性和灵活性。通过这个视频,您对负电压是否有了进一步的了解?您对负电压的设计和应用有哪些经验或疑问?欢迎留言,和DigiKey的朋友们一起分享交流!

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TE Type THS系列电阻的介电强度是这样测出来的!

关键词: 电阻

问:理解 TE Type THS 系列电阻的介电强度测试

如果您希望了解 TE “Type THS 系列电阻器” 介电强度验证的测试方法和条件,

TE 底座安装电阻器THS506R8J

请参考以下內容:

介电强度是衡量材料在不发生介电击穿的情况下承受高压的能力。测试时,将样品置于电极之间,逐步增加施加的电压,直至发生介电击穿。

image

留意:

  • 除行业标准做法外,未指定特殊或独特的测试方法。
  • 根据产品规格,该部件的介电强度额定值为 2500V。
  • 如果产品在客户的测试环境中未达到此标准,建议联系售后服务获取进一步帮助。

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设计电源 要精通拓扑结构及其特性!

关键词: 电源管理

问:电源拓扑结构与设计注意事项解析

在当今的电子设备中,电源设计是影响系统性能和可靠性的关键因素。无论是消费电子、工业自动化还是高性能计算领域,稳定高效的电源都是确保设备平稳运行的必要条件。电源质量直接影响以下方面:

  • 设备可靠性与性能
  • 能耗与效率
  • 热管理
  • 电磁兼容性(EMC)

电源设计的核心要素是选择合适的拓扑结构,需根据应用场景的特定输入 / 输出电压、功率需求、效率目标和安全规范进行定制。从线性稳压器到高效开关模式电源(SMPS),不同的电源拓扑结构在功率转换、热特性和成本控制方面具有独特优势。

除拓扑选择外,确保电源系统的稳定性和效率还需密切关注元件选型、PCB 布局、电磁干扰(EMI)抑制和热管理等关键因素。精心设计的系统可提升性能、延长使用寿命,并符合行业标准。

常见电源拓扑结构及其特点

在设计电源时,拓扑结构的选择对效率、稳定性和成本有显著影响。根据能量转换方式,电源拓扑大致可分为两类:

1. 线性电源(LPS)

工作原理:线性电源通过线性稳压器(如低压差稳压器 LDO)实现降压,将多余能量转化为热量以稳定电压。
主要特点:

  • 低噪声和纹波 → 适用于精密电路
  • 效率较低 → 能量易以热量形式耗散
  • 设计简单 → 适合低功耗应用(如音频设备、低功耗 MCU)

2. 开关模式电源(SMPS)

工作原理:开关模式电源通过高速开关器件(如 MOSFET)配合电感器和电容器实现高效电压调节。
主要特点:

  • 高效率(可达 80%–95%) → 能量损耗低
  • 输出电压可调 → 可实现升压或降压
  • 需要 EMI 滤波 → 设计更复杂

SMPS 的进一步分类

根据能量流动方式,开关电源可进一步分为多个类别,每种类型均针对特定应用优化,具有独特的优势和权衡。

本文概述了线性电源和开关电源的特点及其对系统性能的影响。然而,开关模式电源(SMPS)有多种类型,每种类型均针对特定应用设计,具有独特的优势和取舍。

为了更好地理解不同 SMPS 拓扑的工作原理及其应用场景,我们的另一篇文章将深入探讨降压(buck)、升压(boost)、降压 – 升压(buck-boost)、反激(flyback)、正激(forward)、推挽(push-pull)、半桥(half-bridge)和全桥(full-bridge)等拓扑结构,探讨它们的工作原理、优势及在电源设计中的常见应用。

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这么多不同材料的外壳 怎么选才最合用?

重点产品推荐

作者:Hammond Manufacturing

关键词:外壳材料,外壳等级,电子电气

外壳有多种样式、尺寸和形状,但外壳材料往往才是采购新产品时的首要考虑因素,也可以说外壳材料是影响外壳性能的最大因素。常用材料的相关知识对于规划、采购和维护电气和电子组件至关重要。

一般来说,外壳材料可分为金属材料和非金属材料两类。

非金属材料

大部分非金属外壳由塑料制成,通常为 ABS 或聚碳酸酯,但非金属材料也包括玻璃纤维。

非金属材料可透射频 (RF) 波,是需要轻松收发信号的无线通信设备的理想之选。但这也是把双刃剑,如果设备需要隔离电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI),这一特性就会带来不利影响。

ABS

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS) 是一种低成本热塑性塑料,易于加工和成型。ABS 是室内用途的优选塑料,虽然相对经济,但却具有优异的抗冲击性、耐热性和多功能性。通用 ABS (GPABS) 是最经济的类型,另外还有阻燃 ABS (FRABS),其阻燃性能达到中高水平 (UL 94V-0)。

ABS 外壳通常为黑色、灰色或白色,但黄色、红色和蓝色等彩色外壳也不少见。ABS 易于加工和改造。遗憾的是,这种材料并不适合高强度用途,而且很难使 ABS 透明。

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图 1:Hammond 的 1551MINI 系列 ABS 塑料外壳。由于 ABS 不可能完全透明,因此半透明或“磨砂”ABS 很常见。(图片来源:Hammond Manufacturing)


聚碳酸酯

聚碳酸酯是塑料世界的明星。这种材料具有出色的抗冲击性、较宽的工作温度范围和优异的抗紫外线破坏能力,是许多室外、高冲击和海洋应用的优选塑料。抗紫外线聚碳酸酯可防止因日晒而褪色和变脆,而且天然透明。因此,聚碳酸酯经常用于眼镜片、赛车挡风玻璃以及高质量外壳等产品。聚碳酸酯具有高阻燃等级。不出所料,聚碳酸酯的经济性不如 ABS,尤其是在项目初期,但从长远来看,聚碳酸酯即使在恶劣的条件下也经久耐用,这样反而能够节省成本。

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图 2:Hammond 的 1591T 系列透明聚碳酸酯塑料外壳。(图片来源:Hammond Manufacturing)


玻璃纤维

玻璃纤维增强聚酯简称 FRP 或 GRP,由玻璃纤维增强聚酯塑料组成。与聚碳酸酯一样,FRP 也适合室外使用,具有优异的抗冲击性和较宽的工作温度范围,甚至比聚碳酸酯还要宽。不过,FRP 可能会因紫外线照射而褪色。由于 FRP 的构成,其在切割时会使玻璃微粒分散,因此改造时需要专门的 PPE(个人防护用品)和工具。

聚碳酸酯和 FRP 都具有优异的耐化学性,都非常适合在含盐环境中使用。FRP 耐溶剂、稀酸和稀碱。聚碳酸酯对酸、某些溶剂和碱的耐受性也较好。选择材料之前,务必要对具体的危害进行研究。

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图 3:玻璃纤维增强聚酯外壳,Hammond 零件编号 1590ZGRP084。(图片来源:Hammond Manufacturing)


金属材料

与非金属材料相反,由金属制成的外壳对 RFI 和 EMI 具有更好的屏蔽性。金属与金属之间的接触对于完全屏蔽和接地至关重要,这是在外壳内处理电气设备时确保安全的必要过程。金属材料一般可用于室外用途,并且具有优异的抗冲击性。

对于金属而言,注意电化学腐蚀(也称异种金属腐蚀)非常重要。如果两种不同的金属相互接触,“碱性”更强或更容易放弃电子的金属将开始加速腐蚀,从而造成结构和外观损伤。例如,用户应注意不要在不锈钢外壳上使用镀锌螺丝或镀锌钢连接件。

铝

铝是一种有色金属,虽然重量相对较轻,但却很坚固。除了有铝板、挤压铝和压铸铝等各种形式外,铝的特性也因使用的合金不同而不同。合金由基材(铝)和其他金属或元素组成。有些合金比其他合金更坚固,或更抗拉,或更能接受某些表面处理方式,等等。

铝易于加工和成型,是成本最低的金属外壳材料。

压铸铝

压铸铝外壳通过将熔融金属倒入成型模具(也称为型腔)来生产。压铸件最适合用于中小型外壳,而大型产品往往采用金属板,而非铸造金属。这种工艺生产速度快,而且生产出的产品始终如一。压铸外壳以及注塑成型塑料外壳都有一个称为脱模角的特性。盒壁必须略微向外倾斜,以便外壳能够从铸件上正确脱离。因此,压铸铝外壳的壁会有几度的倾斜。

Hammond 1590Z110 thick-walled diecast aluminum enclosure
图 4:厚壁压铸铝外壳,Hammond 零件编号 1590Z110。(图片来源:Hammond Manufacturing)


挤压铝

挤压也涉及熔融铝和模具,但挤压铝不是填充型腔,而是强制穿过模具形成特定形状,从而得到很长的挤压件,然后再切割成不同尺寸。挤压铝外壳通常由挤压管和金属或塑料端盖组成。挤压可切割的大件管材对制造商有利,因为制造商可以保持管材库存,并根据需要提供各种长度的外壳。

Hammond 提供的挤压铝外壳均经过阳极氧化处理。阳极氧化是一种增加外壳氧化层厚度的工艺,可使表面更加耐用。阳极氧化可呈现各种颜色。有些铝合金可以进行阳极氧化处理,有些则不行;而 Hammond 的挤压外壳可以进行阳极氧化处理,压铸铝外壳则不行,只能进行粉末喷涂。

Hammond Manufacturing 1455L1201BU extruded aluminum enclosure
图 5:经过蓝色阳极氧化处理的挤压铝外壳(已组装)。Hammond 零件编号 1455L1201BU。(图片来源:Hammond Manufacturing)


Hammond Manufacturing 1455L1201BU extruded aluminum enclosure, disassembled
图 6:图 5 中经过蓝色阳极氧化处理的挤压铝外壳的拆卸状态。(图片来源:Hammond Manufacturing)


铝板

铝板可以切割和折叠,以制作外壳和面板。挤压件和模具受到工具特性和尺寸的限制,而折叠金属板则与它们不同,可以制作出无数种外壳设计。铝板,尤其是较薄的铝板,不能承受特别大的重量,如果超重,铝板可能会弯曲或翘曲。

Hammond 1444 series folded aluminum chassis
图 7:Hammond 的 1444 系列折叠铝外壳内部。(图片来源:Hammond Manufacturing)


钢

钢是许多行业广泛使用的可靠材料。钢是一种铁合金(由铁与碳结合而成)。钢板用于制造外壳和面板,根据不同的应用,有多种钢材可供选择。钢比铝重,其成本更高,尤其是不锈钢。

软钢

软钢也称为“低碳钢”,其碳含量低于标准钢,更易于成型和焊接。低碳钢成本低,用途广泛,但除非经过表面处理,否则会因天气影响而氧化。这就是软钢外壳采用粉末涂层表面处理而不锈钢或铝外壳则采用本色表面处理或较少表面处理的原因。天然软钢可用于内部面板,因为它们不会暴露在自然环境中。

Hammond ST12126LG mild steel enclosure
图 8:经过浅灰色粉末涂层表面处理的软钢外壳,Hammond 零件编号 ST12126LG。(图片来源:Hammond Manufacturing)


镀锌钢

镀锌钢通过将钢浸在锌涂料中制成。这样可以保护钢的富铁表面不被迅速腐蚀。镀锌钢对于具有超强腐蚀性的化学品或海洋环境耐受性不佳。镀锌钢是内部面板和通用室内商用外壳的常用材料。经过粉末喷涂后,镀锌钢可在室外光照条件下使用。

不锈钢

不锈钢是一种含铬的铁合金,具有耐腐蚀性。通过添加其他元素,可以制造出不同牌号的不锈钢。不锈钢不易生锈,无需进行表面处理。不锈钢具有很强的耐酸性、耐碱性和耐溶剂性,在室外也有很好的表现,而且易于清洁,因此非常适合需要经常冲洗外壳的卫生环境,例如医疗或食品饮料应用场合。

最常见的两种不锈钢牌号为:

  • 304 – 这是最常见的不锈钢牌号。
  • 316 – 这是更专业的牌号,具有所有上述不锈钢优点,并且额外添加钼元素,因此具有更强的耐腐蚀性。316 不锈钢在海洋环境中表现出色。

Hammond HN4FS726036SS freestanding stainless-steel enclosure
图 9:独立式不锈钢外壳,Hammond 零件编号 HN4FS726036SS。(图片来源:Hammond Manufacturing)


评级和材料

外壳的评级和材料密切相关,因为 NEMA、UL 和 IP 等评级系统根据外壳在各种条件下的性能来评估外壳。

NEMA – NEMA 是工业和电气外壳最常用的评级系统,NEMA 类型描述外壳是用于室内还是室外、是否耐腐蚀以及如何抵御水和灰尘等危害。一些常见的 NEMA 类型包括:

  • 12 和 13 – 室内使用,有一定的防尘和防滴水能力
  • 3R – 室内或室外使用,防尘、防潮湿天气(雨、雨夹雪、雪)
  • 4 – 室内或室外使用,具有优异的防尘、防潮湿天气、防溅水或防水管引水能力
  • 4X – 与 4 类似,但耐腐蚀性增强

Hammond HYW series with hygienic blue silicone gasket
图 10:Hammond 的 HYW 系列不锈钢外壳的门上有一个蓝色卫生硅胶垫圈。(图片来源:Hammond Manufacturing)


侵入防护 (IP) – IP 等级由国际电工委员会 (IEC) 确定。IP 是电子器件外壳领域的典型术语,但 IP 等级和 NEMA 等级之间存在交叉。IP 等级的第一位数字与防尘性有关,第二位数字与防水性有关。一些常见的 IP 等级包括:

  • IP54 – 防尘,防溅水
  • IP65 – 最低防水等级,室外使用的最低建议等级,防尘,防喷水
  • IP66 – 防尘,防强力喷水
  • IP67 – 防尘,防暂时浸泡
  • IP68 – 防尘,防长时间浸泡

UL 认证 – 通过 UL 认证的产品由独立实验室进行测试。认证外壳符合 UL 508A 所列标准。两次测试之间不得进水;否则,产品将无法通过 UL 认证。诸如材料一致性、工厂工艺、抗紫外线性以及可燃性等级之类的其他因素也在考虑之列。UL 认证是性能、质量和安全性的重要指标。

Hammond 1554C2GYCL UL listed polycarbonate enclosure
图 11:UL 认证聚碳酸酯外壳内部的 UL 标签,Hammond 零件编号 1554C2GYCL。(图片来源:Hammond Manufacturing)


结语

设计电气或电子组件需要考虑很多因素,但希望这篇关于外壳材料和等级的概述文章能帮助您简化外壳的选择过程。

无论应用需要的是用于手持式开关的简易塑料盒,还是必须在码头上抵御咸湿空气的坚固不锈钢柜,外壳无疑都是任何组件的重要组成部分。

小编的话:

在设计电气或电子组件时,正确选择外壳对实现理想的安全防护、性能保障及成本与可持续性都非常重要。通过本文,我们对外壳选择中所依据的判断要素:材料类型、应用特性和等级认证有了一个全面的了解。您在外壳选用中,有哪些好的经验可以补充?又或者遇到过哪些问题?欢迎分享,和DigiKey的朋友们分享交流!

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了解TVS 可以从这几个方面着手!

关键词: 保护电路

问:TVS 的实际作用以及如何保护电路

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Diodes TVS 二极管DESD5V0S1BA-7

SOD-923

onsemi TVS 二极管 ESD9B5.0ST5G

TVS 是如何保护电路免受瞬态过电压冲击的?

工作原理: TVS 二极管 利用 p-n 结在反向偏压下的雪崩击穿特性。当电压高于 TVS 二极管的击穿电压时,它会进入导通状态,并将电流引向地线。这样可以将瞬态过电压限制在一个安全的电压水平,保护敏感的电子元件。总之,TVS 二极管能够在极短的时间内将瞬态过电压限制在安全水平,为电子电路提供有效的保护。其快速响应和高能量吸收能力使其成为过压保护的理想选择。

TVS 二极管除了过电压保护还有哪些用途?能用于抗干扰电路中做干扰抑制元件吗?

TVS(瞬态电压抑制器)除了用于过压保护外,还有多种其他用途,并且可以用于抗干扰电路中作为干扰抑制元件。以下是 TVS 的几个主要应用和功能:

  1. 抗静电放电(ESD):保护 TVS 管能有效吸收静电放电造成的瞬时高压脉冲,保护敏感的电子元件不受损坏。这使其在计算机、通信设备、消费电子等领域得到广泛应用。
  2. 防雷击保护: 在电源和信号线路中,TVS 管可以用来防止雷击引起的瞬时过电压,保护设备不受损坏。这对于户外设备和通信基站特别重要。

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ST的这个扩展板是怎样通过I2C和传感器连接的?

关键词: 开发板

问:意法半导体(ST)的 X-NUCLEO-IKS4A1 扩展板,如何通过 I2C 连接各个传感器?

STMicroelectronics 扩展板 X-NUCLEO-IKS4A1:一款运动 MEMS 与环境传感器评估板套件。该扩展板支持通过 I²C 总线测试运动 MEMS 加速度计、陀螺仪、磁力计,以及环境湿度、温度和压力传感器的功能。

X-NUCLEO-IKS4A1 扩展板可以通过以下两种 I2C 模式连接传感器:

  • 标准 I²C 总线连接
  • 分层总线架构

 X-NUCLEO-IKS4A1 扩展板

1. 标准 I²C 总线连接

image

  • 连接逻辑:所有传感器(包括惯性、环境传感器)通过同一 I²C 总线(uC_I²C)连接到外部 STM32 Nucleo 板。
  • 引脚配置:
    • J4:1-2、11-12 引脚,定义 STM_SDA = SENS_SDA(数据引脚),HUB_SDx = GND(集线器数据引脚接地)。
    • J5:1-2、11-12 引脚,定义 STM_SCL = SENS_SCL(时钟引脚),HUB_SCx = GND(集线器时钟引脚接地)。
  • 适用场景:简单传感器数据采集,所有设备共享主 I²C 总线,无需复杂总线管理。

2. 分层总线架构

image

  • 举例,使用LSM6DSO16IS 作为I²C 传感器集线器:
    • 主总线(uC_I²C):直接连接 LSM6DSV16X(6 轴 IMU)、LIS2DUXS12(3 轴加速度计)、SHT40AD1B(温湿度传感器),与 STM32 Nucleo 板的 MCU 通信,传输核心惯性 / 温湿度数据。
    • 辅助总线(SENS_I²C):由 LSM6DSO16IS(传感器集线器) 控制,连接 LPS22DF(压力)、LIS2MDL(磁力计)、STTS22H(温度) 及 DIL24 插座(扩展外部传感器,如红外传感器),实现 6 轴 IMU 功能的供电和环境数据采集。
  • 引脚配置:
    • J4:7-8 引脚,定义 HUB2_SDx = SENS_SDA(辅助总线数据引脚)。
    • J5:7-8 引脚,定义 HUB2_SCx = SENS_SCL(辅助总线时钟引脚)。
  • 特点:通过集线器分层管理,提升多传感器数据处理效率,支持扩展外部传感器,适用于复杂物联网 / 环境监测应用(如同时采集惯性、温湿度、压力、磁场数据)。

更多X-NUCLEO-IKS4A1相关内容:

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通用电路抄作业第二季:如何充分榨干USB转TTL芯片的功能?

重点产品推荐

关键词: USB


在日常的开发调试中,我们常常使用J-Link等下载器来为MCU下载程序。今天,通用电路抄作业,分享一个可以一键自动下载的调试器,也是USB转TTL串口自动下载电路。


什么是自动下载呢?自动下载就是ISP(In-System Programming)在系统可编程,指电路板上的带引导代码的空白器件可以编程写入最终用户代码,通过单片机专用的编程接口(一般是串口等)对MCU内部的用户区Flash存储器进行在线编程。

除了日程调试可以使用之外,这种自动下载方式更适合批量生产烧录,固件远程OTA升级。大家熟悉的MCU,像STM32系列、ESP32/ESP8266、Arduino、NXP LPC系列以及很多国产的MCU,都是支持的。

我们以STM32F103单片机为例,STM32单片机的芯片手册里面关于引导模块的描述,是通过配置BOOT[1:0]引脚,来实现三种不同的模式:

最后一种,就是ISP自动下载模式了。

知道了ISP启动条件,就可以设计一键下载电路了。

我们设计的这个电路,通过USB转TTL串口,在PC端通过串口下载工具,把固件下载到MCU中,MCU通过BOOT1/0 组合设置为ISP启动模式,MCU运行内置的引导程序,这个内置的引导程序是出厂就写好的,无法修改,只能读取。这个程序可以把串口接收到的 hex 文件写到用户区 0×08000000 开头的 Flash 中,从而实现用户固件下载的功能。

串口自动下载器主要由以下电路组成:

1.电源电路:

通过J1的TYPE-C接口输出VBUS-5V通过可恢复熔丝F1以及C2,C3滤波电容,为FT232RL提供稳定的5V电压直流电,R1和D1是LED指示灯,方便观察是否有5V输入,这里的可恢复熔丝F1为一级电源保护,一级电源转换是VBUS-5V通过AMS1117-3.3 LDO转出3.3V为外设提供稳定的直流电;

2.USB转TTL-UART电路:

使用的是大家都熟悉的FT232接口芯片,这款芯片工作稳定,并自带了RXD/TXD收发引脚状态输出,正好我们可以使用个收发状态输出功能,增加串口数据收发LED指示灯D2/D3,这样方便我们更直观看到接受和发送数据;D4/D5为BAV99 二极管保护电路,在这里是起到钳位保护作用,防止RXD/TXD引脚的电压过高,避免过高电压损坏接口芯片。

3.外置接口:

这块由J2/J4/J6三个2.54mm排针,用来连接外设如STM32的开发板或者核心板的电源和BOOT0以及RESET完成对单片机的串口程序下载;

4.一键自动下载电路:

由Q1/Q2/D4/R10/R11组成,通过串口转USB接口芯片FT232的DTR#和RTS#引脚,来控制一键下载电路,从而控制连接在电路上的STM32的RESET和BOOT0引脚的高低电平,引导STM32内置BootLoader程序进入ISP模式,配合STM32的BOOT0,RESET引脚,来达到通过串口一键下载和运行的效果,省去了购买仿真器的费用,下载程序也变得简单方便。

原理是:开发板默认BOOT1为0,BOOT0为0。要想STM32串口ISP下载模式开启,需要把BOOT0设置为1。此时RTS为低电平时,Q1三极管SS8550满足导通条件导通,3.3V电压通过Q1到BOOT0引脚拉成高电平,所以BOOT0输出高电平1,复位电路NRST默认为高电平,通过DTR复位STM32,使系统进入ISP模式,STM32系统存储器启动BootLoader,BootLoader程序ST自带的引导程序,通过BootLoader将程序从串口下载到Flash中;这样程序实际上是通过串口最终下载到了FLASH中,上位机自动控制RTS和DTR引脚,控制BOOT0和NRST,BOOT0置为0,NRST置为1,程序从flash启动。

接下来,就用实验验证我们设计的这个电路是否可行。

首先打开软件:

准备下载程序:

① 选择“端口Port”(FlyMcu会自动搜索FT232RL串口对应的端口),设置“115200bps”

② 选择“需要下载的程序文件”(编译生成的.hex文件)。

③ 勾选“编程前重装文件”,FlyMcu会在每次编程前,将.hex文件重新装载一遍,在代码调试的时候比较有用。

④ 勾选“编程后执行”,可以在下载完程序之后自动运行代码,无需再按复位键来运行代码,便于代码调试。

特别注意:不要勾选“使用 RamIsp”,使用 RamIsp 可能会导致无法正常下载。不要勾选“编程到 FLASH 时写选项字节”。

⑤ 在左下方选择“DTR的低电平复位,RTS高电平进BootLoader”,FlyMCU会通过DTR和RTS信号来控制板载的一键下载功能电路,实现一键下载功能。这个是必要的选项(在BOOT0接GND的条件下)。

设置完成之后,就可以下载了。

时间原因,我们只演示这一种应用,这个串口模块还可以为Arduino一键下载程序,还有串口调试等诸多功能!

注意!CIT 开关的焊接和清洁要这样做才对!

关键词: 开关

问:CIT 开关的焊接和清洁注意事项

在使用 CIT Relay and Switch 开关产品时,遵循适当的焊接和清洁指南以保持产品完整性至关重要。

A close-up of a small device

AI-generated content may be incorrect.
CIT 开关 MS1206L6


虽然端子区域采用环氧树脂密封,以防止助焊剂芯吸进入继电器腔体,但盖子、执行器和衬套并未密封。这意味着,无论是将开关浸入清洁液中还是用清洁液喷洒开关,都可能导致污染和潜在的损坏。

此外,在焊接过程中,助焊剂蒸汽可能会附着在内部组件上,因此建议保持良好的通风。如果需要进行清洁,应小心操作,确保开关不会被浸入任何液体或溶液中,也不要用任何液体或溶液喷洒开关。

如需了解更多详细信息,请查看:

更多开关设计技术信息, 请查看:

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无线物联网传感器的电池能用多久?用Nordic 的这款工具一测便知!

关键词: 物联网

问:使用Nordic Semiconductor的Power Profiler Kit II来估算无线物联网传感器的电池寿命

电池供电的无线物联网传感器通常大部分时间处于睡眠状态,以最小化电流消耗并最大化电池寿命。为了估算电池寿命,需要确定传感器的电流消耗。Nordic 的 Power Profiler Kit II 是一个出色的工具,可用于测量设备在活动和睡眠模式下的电流。

描述

估算设备电池寿命需要了解设备中使用的电池类型和尺寸及其平均电流消耗。电池供电的传感器通常在睡眠和唤醒模式之间循环,以最小化平均电流消耗。本项目使用 Nordic Semiconductor 的 Power Profiler Kit II 来测量示例无线传感器在唤醒和睡眠期间的平均电流。

有关本项目中使用的传感器的详细信息,请访问:

图1、 Nordic Semiconductor 的 Power Profiler Kit II

硬件

  • NRF-PPK2
    Nordic Power Profiler Kit II – PPK2 支持从 200nA 到 1 A 的动态电流测量,并可用于为连接的板供电以及测量其电流。对于电流表模式,外部电源必须为被测设备 (DUT) 提供 0.8 到 5V 之间的 VCC 电平。对于电源模式,PPK2 提供 0.8 到 5V 之间的 VCC 电平,板载稳压器为外部应用提供高达 1A 的电流。PPK2 还可以使用数字输入作为低端逻辑分析仪,实现代码同步测量。

软件

  • nRF Connect for Deskto
    pnRF Connect for Desktop 是一个跨平台的工具框架,用于协助 nRF 设备的开发。它包含许多应用程序,用于测试、监控、测量、优化和编程您的应用程序。
    Power Profiler (nRF Connect for Desktop 中的应用程序)
    此应用程序与我们的 Power Profiler Kit 配合使用。它允许您读取、分析和导出 Power Profiler Kit 的测量结果。

测试设置、测量和结果

在本项目中,PPK2配置为电流表模式,并与电池组和物联网传感器的VCC串联连接。有关设置PPK2硬件和使用Power Profiler GUI的说明,请参阅Nordic的Power Profiler Kit II用户指南。

下面的示意图展示了PPK2和物联网传感器的测试连接方式。

00_02
图2、PPK2和物联网传感器的测试连接方式

00_03


PPK2和物联网传感器测试设置Scheme-it示意图和BOM链接

下面的PPK2截图显示了物联网传感器的电流消耗。

03_00
图3、物联网传感器电流测量


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图4、物联网传感器唤醒平均电流测量


05_00
图5、物联网传感器睡眠平均电流测量


基于上述测量,唤醒期间的平均电流为1.77mA,持续时间为5.135秒,睡眠期间的平均电流为4.21uA,持续时间为60秒,总唤醒/睡眠周期约为65秒。这计算出近似平均电流为0.142mA。基于2100mAh的电池容量(截止电压为2.1V),物联网传感器的电池寿命估计约为1年8个月。

结论

Nordic的Power Profiler Kit (PPK2) 使测量设备在睡眠和活动模式下的平均电流变得容易。一旦确定了设备的平均电流消耗,计算设备电池寿命的估计就变得简单。PPK2的低成本、宽电流和电压范围、易于使用的GUI以及详尽的文档使其成为任何想要更好地了解设备功耗的人不可或缺的工具。

更多物联网设计技术信息, 请查看:

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开发Edge AI与机器学习 这些硬件和开发板你用过几款?

重点产品推荐

关键词:Edge AI,开发板,传感器,FPGA, USB

因为Edge AI和机器学习的计算主要发生在设备边缘,通常需要处理实时数据并在资源有限的情况下做出快速决策,因此对于硬件类型有其特殊的需求,市场上也有其相应的开发套件可供选择。本文将为您介绍一些市面上常用于Edge AI和机器学习的硬件类型与硬件开发套件,以便于协助你们选购与加速开发流程。

Edge AI与机器学习的硬件类型与开发套件

常见的Edge AI和机器学习硬件类型

Edge AI和机器学习使用的硬件类型包括微控制器(MCU)、单板计算机(SBC)、专用AI加速器、FPGA(现场可编程逻辑门阵列)等。

1. 微控制器

在Edge AI和机器学习中,微控制器扮演着关键角色,特别是在资源有限、需要低功耗、实时计算和简单推理任务的应用场景中,可应用于传感器数据处理、边缘设备控制等,常见的选择包括ARM Cortex-M系列、ESP32、Raspberry Pi Pico等。

ARM Cortex-M系列如Cortex-M0/M3/M4/M7是业界广泛使用的低功耗微控制器,适合嵌入式系统和物联网(IoT)设备,Cortex-M4和Cortex-M7支持数字信号处理(DSP)指令集,适合进行基本的AI推理,可应用于小型机器学习推理、传感器数据处理、设备控制等。

ESP32则是由Espressif开发,内建Wi-Fi和蓝牙功能,广泛应用于IoT和边缘设备,支持TensorFlow Lite Microcontrollers,适合运行简单的机器学习模型,如语音识别和手势识别,常见于物联网应用、智能家居、可穿戴设备等。

Raspberry Pi Pico使用RP2040微控制器,为Raspberry Pi基金会的首个微控制器产品,可支持TensorFlow Lite Microcontrollers,具备双核ARM Cortex-M0+,适合入门级的Edge AI应用,如基本机器学习推理、物联网设备控制等。

STM32系列是由STMicroelectronics提供的微控制器,特别是STM32F4和STM32H7系列,支持丰富的计算资源和DSP,可支持使用Cube.AI工具来将AI模型部署到微控制器上,常应用于工业自动化、医疗设备、物联网等。

nRF52系列则是由Nordic Semiconductor开发,内建蓝牙低功耗(BLE)功能,适合低功耗应用,支持机器学习推理,常用于可穿戴设备和物联网应用,如智能穿戴、传感器融合、远程监控等。

由Renesas公司推出的Renesas RA系列支持ARM Cortex-M内核,具有强大的计算能力和低功耗特性,适合Edge AI。Renesas RX系列则使用Renesas自家内核,针对高效嵌入式应用进行优化,可使用于工业应用、智能城市、智能家居等。

Texas Instruments的MSP430以超低功耗著称,适合需要长期运行且电池供电的设备,虽然MSP430的计算能力有限,但可以处理轻量级的机器学习应用,如传感器融合、简单的边缘推理、低功耗应用等。

Arduino Nano 33 BLE则内建ARM Cortex-M4内核,支持TensorFlow Lite,适合Edge AI应用的开发者和爱好者,由于包含蓝牙功能,适合物联网和可穿戴设备开发,可应用于手势识别、语音识别、简单的推理任务。

这些微控制器因其低功耗、易于开发和与各种AI开发工具的兼容性,广泛应用于Edge AI和机器学习领域。选择合适的微控制器时,需根据应用场景的计算需求、功耗限制和数据处理要求进行考虑。

2. 单板计算机

在Edge AI和机器学习应用中,单板计算机提供了相对较高的计算能力与计算资源,以及多样化的开发环境,适合处理更为复杂的机器学习任务和推理工作,支持更高性能的AI模型,适合工业自动化和边缘设备。常见的单板计算机包括Raspberry Pi、NVIDIA Jetson Nano、BeagleBone Black等。

Raspberry Pi系列中的Raspberry Pi 4是最受欢迎的单板计算机之一,具有ARM Cortex-A72 64位处理器和多核处理能力,支持TensorFlow Lite、PyTorch等AI开发框架,能够运行轻量级的机器学习模型,适合应用于图像识别、语音处理和智能物联网设备,可应用于小型物联网设备、智能家居、AI辨识应用等。

NVIDIA Jetson系列相当受到市场欢迎,其中的Jetson Nano是针对入门级AI应用,配备128核的NVIDIA Maxwell GPU,支持TensorFlow、PyTorch和NVIDIA自家的深度学习软件开发套件(SDK),适合运行较大的AI模型。Jetson Xavier NX则提供更高的计算能力,拥有384个CUDA内核和48个Tensor内核,适合需要高效推理的应用。Jetson Orin则适合高阶AI和边缘计算应用,拥有更强大的GPU和AI加速功能。NVIDIA Jetson系列可应用于自主机器人、智能监控系统、医疗设备等。

Google Coral Dev Board内建Google Edge TPU,专为高效、低功耗的AI应用设计。TPU是专门用于加速深度学习推理的处理器,适合TensorFlow Lite模型,能够处理图像分类、对象检测等AI任务,并且功耗非常低,可应用于物联网设备、智能城市应用、图像和语音识别等。

BeagleBone Black则使用AM335x 1GHz ARM Cortex-A8处理器,支持Linux,具备较高的扩展性,虽然性能不如Raspberry Pi和Jetson系列,但它的开源硬件和软件支持使其非常灵活,适合初学者和开发者使用,可应用于工业自动化、嵌入式系统、智能城市应用等。

这些单板计算机依据不同的计算能力、功耗需求和AI开发框架支持,适合各种Edge AI和机器学习应用场景。选择合适的单板计算机需考虑AI模型的复杂度、资源需求以及功耗等因素。

3. 专用AI加速器

在Edge AI和机器学习应用中,专用AI加速器(AI Accelerators)则可提供专门用来加速深度学习推理和其他AI工作负载的硬件设备,这些加速器可以显著提高计算效率,同时降低功耗,以支持深度学习模型,适用于边缘设备的高效率推理。常见的专用AI加速器包括Intel Movidius Myriad X、Google Coral Edge TPU、NVIDIA Jetson Xavier NX等。

Google的Edge TPU是专门为边缘设备设计的AI推理加速器,能够高效处理TensorFlow Lite模型,尤其适合图像识别、对象检测等任务,可支持每秒进行数兆次计算(TOPS),且功耗极低,适合物联网设备和其他资源受限的应用,如图像分类、语音识别、智能监控系统等。其可提供Coral Dev Board和Coral USB Accelerator开发套件,可轻松地将Edge TPU集成到各种嵌入式系统中。

NVIDIA的Jetson系列专注于提供GPU加速,特别适合于边缘设备的AI计算,每个Jetson模块都搭载了CUDA内核和Tensor内核,用来加速AI模型推理,其支持完整的NVIDIA开发工具生态,如TensorRT、CUDA和深度学习SDK,适合运行复杂的深度学习模型和计算密集型应用,如自主机器人、医疗诊断、智能工厂。其提供Jetson Nano、Jetson Xavier NX、Jetson Orin开发套件,从入门级到高阶应用都有对应的硬件。

Intel Movidius Myriad X是一款高度专用的视觉处理单元(VPU),针对图像识别和其他AI推理工作进行优化,集成了神经计算引擎(NCE),能加速深度学习推理,同时支持低功耗的应用。这款VPU被广泛应用于无人机、智能相机和机器人,可应用于对象识别、智能监控、计算机视觉应用。其开发套件Intel Neural Compute Stick 2是一款便捷的USB加速器,允许开发者将Myriad X集成到嵌入式系统中。

Xilinx AI Engine(Vitis AI)是Xilinx FPGA和AI引擎,支持高度灵活的AI推理加速,特别适合需要高度可定制的应用场景,如工业控制和汽车自动驾驶,Vitis AI开发平台针对Xilinx FPGA进行优化,能加速各种神经网络模型,并提供极高的性能和灵活性,可应用于自动驾驶、边缘计算、医疗图像处理。开发套件是Zynq UltraScale+ MPSoC和Alveo加速卡,可在各种高效嵌入式系统中部署AI模型。

Apple开发的Neural Engine(ANE)是其移动设备(如iPhone和iPad)中的专用AI加速器,用来加速机器学习推理,特别是在iOS生态系统中执行高效的本地AI模型,可提供每秒数万亿次计算,并针对苹果自家的AI框架(如Core ML)进行深度优化,可应用于增强现实(AR)、图像处理、语音识别。开发套件中的Apple Core ML框架和Xcode开发环境深度集成,适合开发者进行移动AI应用的开发。

Kneron KL520是一款低功耗AI加速器,专为边缘设备设计,支持深度学习推理的加速,适合物联网和智能家居设备,支持多种神经网络架构如CNN和RNN,并针对低功耗应用进行优化,可应用于图像处理、智能摄像机、语音识别。Kneron提供多种开发模块和工具,使得开发者可以轻松地集成AI加速功能。

Huawei的Ascend 310是一款AI专用加速芯片,针对移动设备和边缘设备进行AI推理优化,特别是在智能城市和自动驾驶等应用中,可提供高效、低功耗的AI推理能力,并支持多种神经网络框架,可应用于智能城市、边缘计算、自动驾驶,其采用基于Ascend 310的Atlas 200开发模块,是常见的Edge AI开发套件。

这些专用AI加速器根据性能、功耗和应用需求的不同,提供了多种选择。它们在Edge AI和机器学习的应用中,能够显著提升推理速度,减少计算资源消耗,并且在不同的硬件和软件环境中提供灵活的开发支持。选择合适的AI加速器取决于具体的应用需求,例如计算性能、功耗以及目标平台的限制。

4. FPGA

在Edge AI和机器学习应用中,FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)提供了高度灵活和可配置的硬件加速能力,特别适合那些需要在边缘进行高效率AI推理的应用,可进行实时数据处理和推理。与GPU或专用AI加速器不同,FPGA能够根据特定任务进行硬件层面的优化,从而实现低延迟和高能效比,常用于Edge AI计算的FPGA包括Xilinx Zynq、Intel Stratix等。

Xilinx是FPGA市场的领导者之一,其提供的FPGA解决方案专门针对人工智能和机器学习应用进行了优化,尤其是Zynq UltraScale+ MPSoC和Versal ACAP系列。Xilinx FPGA提供了Vitis AI开发平台,能够加速深度学习推理,并支持各种框架如TensorFlow和Caffe。Zynq UltraScale+ MPSoC结合了ARM处理器与可编程逻辑,提供灵活的计算平台,适合嵌入式和边缘设备。Versal ACAP是一种自适应计算加速平台,结合了FPGA的灵活性和专用AI加速功能,适合高效AI应用如自动驾驶、智能医疗、工业自动化、智能城市。开发工具包括Vitis AI、Vivado、TensorFlow Lite for Microcontrollers。

Intel并购了Altera,进一步扩展其在FPGA领域的影响力。Intel FPGA(如Arria和Stratix系列)针对AI和边缘计算进行了优化,特别是Intel的OpenVINO工具套件支持FPGA上的AI推理加速。Arria 10 GX FPGA是中高阶FPGA,提供高效和灵活性,适合高效计算应用。Stratix 10系列适合更高阶的应用,支持复杂的神经网络推理任务。其支持OpenVINO工具套件,可以加速如TensorFlow、Caffe等模型的推理过程,可应用于高效边缘计算、深度学习推理、视觉处理、网络边缘应用。开发工具包括Intel OpenVINO、Quartus Prime、TensorFlow Lite。

Lattice Semiconductor的FPGA是针对低功耗和小尺寸应用而设计,尤其是其ECP5和iCE40系列,适合边缘AI设备和物联网应用。iCE40 UltraPlus是一款超低功耗FPGA,适合用于需要极低功耗的物联网设备、智能家居应用等。ECP5系列支持神经网络推理加速,适合Edge AI设备,并且与TensorFlow Lite for Microcontrollers集成,适合小型机器学习模型的推理,如物联网设备、可穿戴设备、边缘设备的AI推理。开发工具有Lattice Diamond、Radiant、TensorFlow Lite。

QuickLogic提供的FPGA以低功耗著称,特别是其针对AI和边缘推理优化的产品。其QuickAI平台专门为边缘设备提供灵活的AI加速解决方案。QuickAI开发平台基于其低功耗的FPGA,能够加速边缘设备上的神经网络推理,并支持物联网和智能传感器应用,可支持神经网络加速,并且能够在能量受限的设备中进行高效计算,可应用于智能传感器、智能家居、工业物联网,开发工具有QuickLogic开发套件、SensiML工具集。

Microchip的FPGA(前身为Microsemi)提供了低功耗和高安全性解决方案,尤其是其PolarFire系列,适合于Edge AI和深度学习应用。PolarFire FPGA是一款低功耗、高安全性的FPGA,能够在功耗受限的情况下实现高效的AI推理。其支持开源工具,如OpenVINO和TensorFlow Lite,用于加速AI应用,如工业自动化、智能医疗设备、Edge AI设备。开发工具包括Libero SoC、PolarFire SoC开发套件。

FPGA可以根据不同的AI模型和应用进行高度定制,适合于不同场景中的专用AI加速任务,具有灵活性,且由于FPGA的硬件级别并行处理能力,可以实现极低的延迟,这在实时AI推理中尤为重要,并使其在Edge AI计算中具有更高的效能与功耗比,FPGA的适应性强,可能够灵活应对不同的应用需求,从物联网设备到高效计算平台,适合各种不同的边缘应用场景。

FPGA是Edge AI和机器学习应用中的理想硬件平台,特别适合那些需要高度灵活、低功耗、高效能的场景。Xilinx、Intel、Lattice等公司提供的FPGA平台,结合专门的AI开发工具,使得FPGA能够在边缘环境中处理复杂的深度学习模型和AI推理任务。选择合适的FPGA平台应根据应用需求、资源限制和功耗考虑进行决策。

常见的Edge AI和机器学习开发套件

在Edge AI和机器学习领域,开发套件能帮助开发者快速设计、测试和部署AI解决方案。这些开发套件通常包括硬件平台、软件工具和预先训练的模型,能简化开发过程。以下是一些常见的Edge AI和机器学习开发套件。

1. 入门级开发套件

Arduino Nano 33 BLE Sense这款开发板由Arduino提供,内建了多种传感器,特别适合使用TensorFlow Lite for Microcontrollers进行开发。Arduino Nano 33 BLE Sense采用ARM Cortex-M4 32位、64 MHz的主处理器,具有256 KB SRAM内存,内建的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计、温度计、气压计、湿度计和光传感器。开发者可以通过Arduino IDE将TensorFlow Lite模型部署到开发板上,用于智能感应设备、图像分类、语音识别、手势识别、环境监测等应用。

2. 中级开发套件

MCX N系列微控制器是由NXP半导体推出的新一代低功耗微控制器系列,专为物联网、智能家居、工业控制等应用设计。该系列具备强大的处理性能和节能特性,并且支持安全功能,使其成为嵌入式AI和边缘计算的理想选择。MCX N系列微控制器具有高效能,基于ARM Cortex-M33内核,支持浮点计算和DSP扩展,低功耗设计适合电池供电的应用,支持多种省电模式,在安全性上支持NXP TrustZone技术,内建加密加速器,支持安全引导和安全存储,具有灵活的扩展性,提供多种通信接口,如I2C、SPI、UART和CAN,适合各类应用。MCX N系列开发套件则包括NXP MCX N1110-EVK开发板、NXP MCX N1040-EVK开发板、NXP MCX N9xx-EVK开发板等,开发环境和工具则有MCUXpresso IDE、MCUXpresso SDK,以及加密和安全功能的软件支持,包括TrustZone和加密加速器的API等安全工具。

Wio Terminal是Seeed Studio推出的一款多功能开发套件,基于ATSAMD51内核,专为物联网、机器学习、Edge AI和嵌入式系统设计。它是一款结合了多种传感器、显示器、无线通信模块的开发平台,适合快速原型设计和开发智能应用。Wio Terminal的内核处理器为ATSAMD51P19,基于ARM Cortex-M4F架构,主频可达120 MHz,支持浮点计算,以及192 KB RAM、4 MB闪存,足够进行嵌入式应用的开发,具有2.4吋LCD TFT屏幕,分辨率为320×240,便于显示实时数据和图形接口,内建环境光传感器、加速度计、温度和湿度传感器,便于进行环境监控和感知,支持内建Wi-Fi和蓝牙模块,适合IoT和无线连接应用。Wio Terminal提供多种I/O接口,包括40-pin GPIO、I2C、SPI和UART接口等,便于外接其他传感器和模块。支持Arduino和MicroPython,还支持TensorFlow Lite和Edge Impulse来进行Edge AI和机器学习开发。

Seeed Studio的XIAO ESP32S3 Sense则是一款超小型开发套件,专为Edge AI和物联网设计,集成了ESP32-S3芯片,提供强大的计算能力和多种传感器,非常适合物联网应用和AI开发者使用。该开发套件强调小尺寸、低功耗和高效能,支持Wi-Fi和蓝牙双模通信,并具备Edge AI加速功能。其内核处理器采用ESP32-S3,是双核的Xtensa LX7 32位处理器,主频可达240 MHz,内建AI加速器,支持矢量指令集,专为AI模型运行进行优化,以提升推理效能。内存为512 KB SRAM,支持外部8 MB PSRAM,支持Wi-Fi 802.11 b/g/n和Bluetooth 5.0 LE,内建IMU 6轴陀螺仪和加速度计与PDM麦克风,适合语音识别、手势识别和动作跟踪等应用,并支持Arduino IDE、MicroPython、Espressif SDK、TensorFlow Lite等开发工具。

Raspberry Pi 4 Model B是Raspberry Pi基金会推出的高性能单板计算机,专为教育、物联网、嵌入式系统和边缘计算应用设计。这款开发板具备更快的处理器、更多的内存和丰富的接口,是目前Raspberry Pi系列中性能最强的一款,适合用于从学术研究到工业应用的各种场景。Raspberry Pi 4 Model B的处理器采用Broadcom BCM2711,四核ARM Cortex-A72(ARMv8)64位处理器,主频1.5GHz,提供多个内存选项,包括2 GB、4 GB、8 GB LPDDR4 SDRAM,可满足不同工作负载的需求,支持双4K显示输出,通过两个micro-HDMI埠可以同时连接两个显示器,支持4Kp60分辨率,板载千兆以太网,同时支持2.4GHz和5GHz双频Wi-Fi 802.11ac,以及蓝牙5.0,提供2个USB 3.0和2个USB 2.0埠,支持高速存储和外设连接,可通过microSD卡进行操作系统和数据存储,具有40-pin GPIO接口,支持各种外设、模块和传感器的扩展,适合原型设计和开发。在开发上支持Raspberry Pi OS官方的操作系统,还支持Ubuntu、Windows 10 IoT Core等多种操作系统,以及Python、TensorFlow Lite开发环境。

3. 高阶开发套件

MAX78000评估板是Maxim Integrated(现为Analog Devices)推出用于评估MAX78000微控制器的开发板。MAX78000是一款专为低功耗神经网络处理设计的AI微控制器,集成了ARM Cortex-M4F内核和一个专用的神经网络加速器,适合Edge AI应用,如图像识别、语音识别和其他需要实时处理的应用。MAX78000评估板搭载了一个专用的神经网络加速器,支持多种神经网络架构(如CNN),能够在超低功耗下高效运行AI推理工作负载,内存为512 KB SRAM,存储空间为2 MB闪存。开发上可支持MAX78000 SDK,以及TensorFlow Lite、PyTorch生成的模型,并且有专门的工具来将这些模型转换为MAX78000可以运行的格式。此外,还支持GCC编译工具链和Maxim的IDE,适合专业开发者使用。

STM32F7 Discovery评估板是STMicroelectronics推出的功能强大的开发板,专为基于STM32F7系列微控制器的开发和原型设计而设计。STM32F7系列微控制器具有基于ARM Cortex-M7内核的高效能,适合应用于物联网、工业控制、多媒体处理和嵌入式系统等领域。评估板上搭载STM32F746NGH6微控制器,运行频率高达216 MHz,提供强大的计算能力,具有1 MB闪存和340 KB SRAM,满足大多数嵌入式应用对内存的需求,配备一个4.3英寸的TFT LCD电容式触摸屏幕(480×272分辨率),板载数字MEMS麦克风、音频编译码器、耳机插孔,集成以太网接口,支持有线网络通讯。开发上可支持STM32CubeMX ST官方提供的配置工具,以及STM32CubeF7,还有FreeRTOS和其他实时操作系统(RTOS),适合多任务处理的应用场景。STM32F7 Discovery评估板支持多种开发环境,包括STM32CubeIDE、Keil MDK、IAR Embedded Workbench等,板载显示和触摸面板支持TouchGFX,用于开发嵌入式GUI应用。

4. 专家级开发套件

NVIDIA Jetson Nano开发套件是一款专为嵌入式人工智能应用设计的低功耗开发平台,适合在边缘设备上进行高效率的AI推理和深度学习应用。这款开发套件提供了高性能的GPU计算能力,支持TensorFlow、PyTorch等深度学习框架,适合应用于物联网、机器人、自主设备和智能视频分析等领域。板载NVIDIA Maxwell架构的GPU,拥有128个CUDA内核,64位四核ARM Cortex-A57处理器,以及4 GB LPDDR4 RAM,支持microSD卡插槽做为主要存储设备,拥有丰富的接口包括USB 3.0、HDMI、DisplayPort、CSI相机界面、GPIO、I2C、SPI等,具备千兆以太网接口。软件支持NVIDIA JetPack SDK,支持TensorFlow、PyTorch、Caffe、MXNet等常用的深度学习框架,支持视频编码和解码功能。

Himax WE-I Plus评估板是一款专门设计用于Edge AI应用的开发板,适合在资源有限的环境下执行AI任务。这款开发板面向低功耗的嵌入式系统设计,能够运行机器学习模型,特别是适合在电池供电的设备上进行实时的数据处理和AI推理。Himax WE-I Plus评估板主要应用于物联网、智能家居、可穿戴设备等需要低功耗的应用场景。Himax WE-I Plus评估板搭载Himax HX6537-A SoC,这是一个专为Edge AI设计的低功耗处理器,内建AI加速器,提供512 KB SRAM和2 MB闪存,板上集成了多个传感器,包括加速度计、陀螺仪、数字麦克风等,并特别针对电池供电的设备设计。软件支持TensorFlow Lite for Microcontrollers、Himax SDK,其RISC-V架构提供了灵活的开发环境,并且能够充分利用板上的硬件资源来执行AI推理。

5. 其他产品

除了上述的开发套件之外,还有像是TensorFlow开发板、FPGA板等产品,像是SparkFun Edge开发板、Adafruit TensorFlow Lite Kit、Espressif ESP32、Micro v2、Nordic nRF52840 DK等,以及Google Coral、Intel Neural Compute Stick 2、OpenMV Cam H7、Kneron KL520 AI开发板、Huawei Atlas 200开发模块,还有针对FPGA架构的Xilinx Kria KV260 Vision AI Starter Kit等,产品种类众多,可提供开发者更多样化的选择。

上述几款常见的开发套件涵盖了各种嵌入式AI应用,从小型的物联网节点、低功耗AI设备,到高性能的多媒体处理与机器学习系统。开发者可以根据需求选择合适的开发板,无论是需要轻量的物联网传感应用,还是高性能的AI推理工作。

结语

在当今快速发展的科技环境中,Edge AI与机器学习的硬件类型与开发套件日益受到重视。这些技术不仅能够提升数据处理效率,还能减少延迟和带宽消耗,让智能应用更加灵活和高效率。从小型化的微控制器到高性能的GPU加速平台,各种开发套件提供了多样的选择,适应不同的应用需求与场景。

这些开发套件的广泛应用涵盖了物联网、智能城市、智能家居、计算机视觉等领域,使得边缘计算成为可能。随着技术的进步,未来的硬件将更加专注于低功耗、高效及易于开发的特性,进一步促进Edge AI和机器学习的发展。无论是初学者还是专业开发者,选择合适的硬件平台和开发套件,都将为创新提供强有力的支持,推动智能技术向更高水平发展。

此外,您还可以参考我们另一篇针对人工智能和机器学习以及Edge AI的概念与应用的介绍,还有一篇关于嵌入式机器学习的应用特性与软件开发环境的文章,未来我们还将为您介绍更多关于Edge AI与机器学习的传感器产品,敬请期待。您也可以到以下的DigiKey网页来进一步了解与Edge AI相关的专业技术与解决方案:

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  • STM32F723E-DISCO STM32F723 Discovery STM32F7 ARM® Cortex®-M7 MCU 32-位 评估板 – 嵌入式
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小编的话:

选择合适的硬件平台和开发套件对Edge AI和机器学习开发至关重要。硬件平台需匹配应用性能需求,同时,能效比和硬件兼容性、扩展性亦不可忽视。在开发套件上,通过提供丰富的开发工具和库,可以简化开发流程,帮助优化性能,并能针对特定硬件平台进行优化,减少资源消耗。您在进行Edge AI和机器学习开发时,对于硬件平台和开发套件的选择有哪些经验或疑问?欢迎留言,和DigiKey的伙伴们分享交流!

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