什么是 Arduino R4 Minima ？
Arduino R4 Minima 是备受喜爱的 Arduino UNO 的最新版本，其教育根源可追溯到 2010 年原始 UNO 的推出。原始 UNO 与最新 R4 之间的最大区别是改用 Renesas RA4M1，而不是原始的 Atmel（Microchip）ATmega328。新的 32 位处理器相比旧的 8 位解决方案提供了显著的性能提升。它还集成了支持硬件，消除了对晶体振荡器和用于编程主微控制器的次级微控制器的需求。最终的设计符合其极简主义的名称，因为与图 1 中所示的旧版 UNO R2 相比，电路板明显更简洁。
最新版的 Arduino UNO 采用了与原始 UNO 相同的外形尺寸。这一点，加上 5 VDC I/O，应该可以继续使用您的 5 VDC 扩展板。最新的（第 4 版）Arduino UNO 提供带 LED 矩阵和 WIFI（未显示）的版本，以及不带 ABX00080 的版本（图 1，左侧）。
图 1 ：最新 Arduino UNO R4 Minima（左）与旧版 Arduino UNO R2（右）的并排比较。旧版 R2 可以通过微控制器旁边的复位按钮轻松识别。
技术提示 ：请密切关注与您的 Arduino 相关的电压。原始设备设计为使用 5 VDC 微控制器。许多（但不是全部）新设备采用 3.3 VDC 微控制器。混合这两种系统可能会导致微控制器损坏。Arduino R4 Minima 是一款 5 VDC 设备。
电源
与早期设备相比，新版 Arduino UNO R4 的电源是一个被低估的变化。R4 没有使用传统的低压差（LDO）线性稳压器，而是采用了基于 Renesas ISL854102FRZ-T 降压稳压器的开关模式电源。
开关模式稳压器的优势
效率是描述开关模式电源优势的最佳词汇。回想一下，开关模式电源（如 ISL854102FRZ-T 降压稳压器）通过快速开关半导体来工作。当与电感和电容结合时，高频开关信号被转换为稳定的直流电平。结果是一个效率约为 90% 的系统。更高的效率意味着更少的能量以热量的形式浪费，从而实现更长的电池寿命和低温运行。
测试以展示改进的热性能
通过将稳压器置于负载下，然后使用热成像仪查看结果，可以观察到稳压器之间的实际差异。在此演示中，Arduino由外部10 VDC电源驱动。然后在稳压器的5 VDC输出上放置一个20 Ω的电阻负载，如图2所示。结果如图3和图4所示。
图 2 ：电源热成像测试设置。Arduino由外部10 VDC电源驱动。5 VDC稳压器用于驱动一对串联的10 Ω电阻。
Arduino UNO R2 的结果
图3显示了Arduino UNO R2的热成像特征。通过将颜色与图像右侧的刻度进行比较，可以看到线性稳压器的工作温度约为200°F。相对于PCB的其余部分，这非常热，如颜色刻度所示。稳压器呈亮黄色，而电路板的其余部分为冷黑色。
回想一下，线性稳压器就像一个可调可变电阻，输入电流等于输出电流。在10 VDC输入、5 VDC输出和0.25 A电流（5 A / 20 Ω）的情况下，稳压器将消耗（燃烧）与负载相同的功率。因此，对于给定的配置，稳压器的效率为50%。随着输入电压的升高，效率将降低。
图 3 ：Arduino UNO R2的热成像图，展示了热稳压器。稳压器的工作温度约为200°F。它比电路板的其余部分明显更热。
技术提示 ：图3和图4的右侧包含一个“温度计”，允许我们将温度编码为从“黄色热”到黑色的颜色。请注意，图3和图4的刻度不同。如果两个热成像图使用相同的刻度，UNO R4 Minima将呈现黑色，类似于图3中的冷黑色部分。您可以通过观察图4中的最高温度约为100°F来确认这一点，该温度略高于使用图3颜色刻度的黑色。
Arduino UNO Minima 的结果
Arduino R4 Minima 的这种酷炫操作如图 4 所示。PCB 的稳压器部分在向虚拟负载提供相同功率的情况下，温度降低了约 100°。这与 Renesas ISL854102FRZ-T 数据手册一致，该手册建议效率为 90%。
正如之前的技巧提示中所解释的，图 3 和图 4 之间的颜色比例不同。理解差异的一种方法是观察电路板上最热和最冷部分之间的相对差异。在图 3 中，“温度计”测量范围在 225° 到 80° F 之间，对应于稳压器上的黄色热点和 PCB 右侧的冷黑色区域。在图 4 中，“温度计”测量范围在 106° 到 77° F 之间。ISL854102FRZ-T 稳压器很热，但并不比 PCB 的其余部分明显更热。从相对角度来看，它并不比微处理器或 LED 热多少。
图 4 ：Arduino R4 Minima 的热成像图，展示了开关模式电源。开关稳压器的运行温度比线性稳压器低约 100°F。事实上，它并不比电路板的其余部分热多少，正如整个图像中的橙色色调所显示的那样。请注意，如果使用图 3 中的“温度计”，此图像将几乎为黑色（冷）。
技巧提示 ：虽然线性稳压器效率较低，但它仍然是一个可行的解决方案。设计简单性是一个很好的论点。此外，线性稳压器不太容易产生电噪声和释放射频能量。这可以进一步简化 PCB 设计并降低 EMI 合规性的复杂性。例如，线性稳压器更适用于涉及低噪声信号放大的电路。
最后的思考
Arduino UNO R4 Minima 是对 R3 的重大升级。本文探讨的电源只是升级中包含的众多变化之一。图 3 和图 4 中的热成像图清晰地展示了新技术的优势。
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