ラズベリーパイの回路図から電源構成を調査してみた

オシロスコープ

ラズベリーパイの回路図は部分的にですが公式HPで公開されています。

回路図を確認しながらラズパイの電源構成・シーケンスを調査してみました。

最新のラズパイの電源回路構成を分かりやすく紹介します。

 

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ラズベリーパイの回路図から電源構成を調査してみた

最新のラズベリーパイ4でも回路図は部分的ですが公式HPで公開されています。

公開されている箇所は主に「電源」と「コネクタ」周辺回路です。

 

回路図を確認して、ラズパイの電源構成を調査してみました。

 

実際にオシロスコープでラズパイの電源シーケンスの測定まで実施しました。

 

5VからラズパイのCPU・LPDDR4への電源まで測定しています。

 

ラズパイの電源回路構成の詳細を紹介していきます。

ラズベリーパイの電源はCPU性能に大きく影響が出ることを下記記事で紹介しています。

是非合わせてご覧ください(リンク先はこちら)

ラズパイの電源が不安定な場合は?CPU性能への影響を確認してみた!
ラズベリーパイの電源は一応スマートフォンの電源などでも動作します。 しかし、電源不足・不安定な場合はラズパイのスペックが著しくダウンします。 実際に電源の違いでどれほどの性能差が出るのかベンチマークしてみました。 ラズ...

 

最新のラズベリーパイからzeroまで回路図がある

ラズベリーパイ財団の公式HPから部分的(電源・コネクタ周辺)ですが回路図が確認可能です。

最新のラズベリーパイ4Bから特殊なタイプのzeroまで回路図をPDFで見ることができます。

(英語ですがリンク先はこちらから)

Raspberry Pi Documentation - Raspberry Pi Hardware
The official documentation for Raspberry Pi computers and microcontrollers

 

古いラズベリーパイ1Bならば全体の回路図があり

古いラズベリーパイ1BならばDesignSpark様のHPで回路図が公開されています。

DesignSpark Electrical Logo
Raspberry Pi Model

 

ラズベリーパイ4Bの電源回路構成

回路図を確認しつつ最新のラズベリーパイの電源回路構成を確認します。

ラズベリーパイ4BではTypeCの5VからCPU含めた各ICに必要な電源を作っています。

 

ラズパイ4Bは高スペックな分、従来機種に比べて5Vの消費電力が増加しています。

下記記事で消費電流を比較しています。(リンク先はこちら)

ラズベリーパイの電源のおすすめは?USBの電流を測定してみた
ラズベリーパイに必要な電源スペックを測定してみました。 「専用の電源アダプタは必要なのか」「PCからのUSB給電で十分なのか」含めて確認しています。 ラズパイの専用電源が本当に必要か迷っている方におすすめな記事となっています. ...

 

ラズパイ4Bは大きく分けて2つの電源IC(PMIC,DCDC)がありますので調査していきます

筆者が描いた簡易的な回路図だと下記イメージです。(細かい部品は省略しています)

※あくまで筆者の簡易的な調査です。参考扱いでお願いします。

 

PMIC(MxL7704)

ラズパイ4Bの電源の大部分がTypeCコネクタ傍のPMIC(パワーマネジメントIC)で作られています

メーカ・型式はMaxLinear製MXL7704-P4とパッケージに記載がありました。

 

今回のPMIC(複合電源IC)には「4つのDCDC電源」「一つのLDO電源」が搭載されています。

 

4つのDCDC電源ではCPU・DDRなどの各ICに必要な電源が作られています

  • 3.3V(CPU含めた各ICの電源)
  • 1.8V(LPDDR4含めた各ICの電源)
  • 1.1V(LPDDDR4などのIF電源)
  • VDD_CORE(CPUのコア電源_大体0.85V)

1つのLDOではオーディオ用の電源が供給されていました

  • 3.3V_AUD(オーディオ用の電源)

 

DCDC(1.03V出力)

ラズベリーパイ4B(メモリ4GB以下)ではUSB2.0コネクタ付近にもう一つ電源ICがあります。

DCDC電源で1.03VをCPU,VLI(USBコントローラ)の2か所に供給しています。

 

ICサイズが小さくメーカ・型式までは分かりませんが、DCDCの電源ICが搭載されています。

 

ラズパイ4Bのメモリ8GBは電源が変更

ラズベリーパイ4B 8GBが2020年5月に販売されました。

先述した1.03V出力のDCDC電源の位置が変更されているということです。

PMIC横の5Vコンデンサの位置と交換されています。

 

メモリ関連の消費が増えた影響か、よりCPUに近い位置に電源ICを置きたかった様子です。

 

ラズベリーパイの電源シーケンスを測定してみる

ラズパイ4Bの電源構成を回路図・外観のパターンからある程度調査出来ました。

折角ですのでPMICの4つのDCDCの電源シーケンスを確認したいと思います。

 

ラズベリーパイの電圧測定

ラズベリーパイの電圧測定するためにオシロスコープのプローブを接続します。

 

5Vと3.3Vに関してはGPIOピンから、DCDC測定時は出力コンデンサ箇所で測定しました。

 

今回電源シーケンスの測定に使った4chのオシロの詳細は下記記事で紹介しています

よろしければ一緒にご覧ください。(リンク先はこちらから)

オシロスコープはおすすめ!電子工作のために購入してみた
オシロスコープを個人で購入してみました。 オシロがあれば電子工作の測定、電子回路の勉強などに使えて非常に役立ちます。 現役のエンジニアが自宅でオシロを使うメリット・デメリットを説明します。 また実際に通販で購入して、使い始めるまでの一連の流れも紹介します。

 

PMICの電源シーケンスの測定結果

まず最初に5V,3.3V,1.8Vの電源シーケンスを確認しました。

5V→3.3V→1.8Vの順に電源が立ち上がっていることが分かります。

 

次に5V,3.3V,1.1V_DDR,VDD_COREの順で測定します。

5V→3.3V→(1.8V)→1.1V_DDR→VDD_COREの電圧順に電源が立ち上がっています。

PMICの大体の立ち上がりシーケンスを確認できました。

 

まとめ

今回はラズベリーパイの回路図・電源構成に関して紹介させていただきました。

記事をまとめますと下記になります。

最新のラズベリーパイの回路図でも部分的(電源・コネクタ周辺)に公開されている
ラズベリーパイは5VからCPU含めた各IC用に多くの電源を作っている
オシロスコープを使えばラズパイの電源シーケンスも確認できる

 

ラズベリーパイ(raspberry pi)は回路が把握でき、勉強用としても非常に使えるデバイスです。

そして測定に使用したRIGOL DS1054Zのような4chオシロがあれば更に理解が深まります。

ぜひ皆さまもオシロスコープを触ってみて下さい。

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