Raspberry Pi 5技术详解：硬件规格、供电要求与散热方案

Raspberry Pi 5技术详解：硬件规格、供电要求与散热方案

Raspberry Pi 5是树莓派公司推出的一款全新计算机主板，采用64位四核Arm Cortex-A76处理器，性能较前代产品大幅提升。本文将详细介绍其硬件规格、供电要求、散热方案以及使用方法。

树莓派5

硬件规格

树莓派5采用运行频率为2.4GHz的64位四核Arm Cortex-A76处理器，与树莓派4相比，CPU性能提高了2至3倍。此外图形性能也较800MHz VideoCore VII GPU大幅提升；通过HDMI双4Kp60显示输出；以及重新设计架构的树莓派图像信号处理器提供的最先进的摄像头支持，它为消费者提供了流畅的桌面体验，并为工业客户打开了新应用程序的大门。

这是第一次，这是一台全尺寸的树莓派计算机，使用树莓派内部构建的芯片。RP1为树莓派5提供大量I/O功能，并在外设性能和功能方面实现了重大改变。USB总带宽增加了一倍以上，为外部 UAS 驱动器和其他高速外设提供更快的传输速度；早期型号上的专用双通道 1Gbps MIPI摄像头和显示接口已被一对四通道1.5Gbps MIPI收发器所取代，使总带宽增加了三倍，并支持最多两个摄像头或显示屏的任意组合；通过支持SDR104高速模式，峰值SD卡性能提高一倍；该平台首次公开单通道PCI Express 2.0 接口，为高带宽外设提供支持。

主要特点包括：

• 四核 Arm Cortex-A76 @ 2.4GHz
• 加密扩展支持（硬件AES）
• 每核 512KB 二级缓存
• 2MB 三级缓存
• 4GB 或 8GB LPDDR4X-4267 SDRAM
• 双 4kp60 HDMI 显示输出，支持 HDR
• 4kp60 HEVC 解码器
• VideoCore VII 显卡，支持 OpenGL-ES 3.1、Vulkan 1.2
• 树莓派 图像传感器处理器 (ISP)
• 树莓派 PCIe 连接器（1 x 2.0 端口，需要额外的 HAT）
• 802.11ac 双频 Wi-Fi
• 蓝牙 5.0（支持 BLE）
• 千兆以太网
• 2个 USB 3.0（能够同时实现全吞吐量）
• 2个 USB 2.0
• PoE 支持（需要额外的 HAT）
• 双 4 通道 MIPI CSI/DSI 收发器，支持以下模式之一
• 2个 显示器
• 2个 摄像头
• 1x 显示器 + 1x 摄像头
• 树莓派 40 针 GPIO 接头
• 风扇连接器
• 实时时钟 (RTC)
• RTC 电池连接器
• 电源按钮

电源管理

树莓派生产两种不同的USB-C电源。第一个是树莓派15W USB-C电源，这是树莓派4和树莓派400的推荐电源。第二个是树莓派27W USB-C电源，在+5.1V下提供高达5A的电流，是树莓派5的推荐电源。

树莓派4电源使用的USB-C标准限制为5V/3A，总功率输出为15W。USB-PD标准允许通过软件协商更高的电压和电流，但需要适当的电源管理集成电路 (PMIC)，该电路仅出现在树莓派5上。这些电源要求您使用合适的USB-PD兼容电缆。

注意：即使使用支持USB-PD的电源，也无法使用较旧的USB”哑“电缆和插口提供超过15W的功率。虽然支持USB-PD的手机充电器宣称功率大于15W，但实际上所有充电器都是通过提高电压而不是在+5V下提供更多电流来实现这一目标。如果您使用的电源在首次启动时无法在+5V下提供5A电流，操作系统将警告您外设的电流消耗将限制为600mA。

欠压事件屏幕警告

对于希望驱动硬盘和SSD等高功率外设，同时为峰值工作负载保留余量的用户，应使用能够在+5V(25W)下提供5A电流的支持USB-PD的电源。如果树莓派5固件检测到支持的5A电源，则会将外设的USB电流限制提高到1.6A，为下游USB设备提供5W的额外功率，以及5W的额外板载功率预算。

注意：不支持 USB-PPS（可编程电源/可变电压快充）。

我们推荐官方树莓派电源，该电源设计为即使电流消耗快速波动也能始终提供+5V。当您将外围设备与树莓派一起使用时，这些需求波动是常见且频繁的。其他电源通常设计用于提供稳定的电流为手机充电，不能很好地应对电力波动。官方电源还附带一根USB电缆，这意味着您不会意外使用劣质或“哑”电缆，而这可能是其他电源的问题。

警告：如果您使用第三方支持USB-PD的多端口电源，则将额外的设备插入电源以及树莓派将导致电源与树莓派之间重新协商。如果树莓派已通电，这将无缝发生，但如果树莓派已插入电源并断电，则此重新协商可能会导致树莓派启动。

您可以使用vcgencmd检查USB端口的电源输出状态。

vcgencmd get_config usb_max_current_enable

默认情况下，使用3A电源将不能用从USB设备引导启动。但是在文件/boot/firmware/config.txt中设置usb_max_current_enable=1，将覆盖此设置并启用具有较低瓦数电源的USB引导启动。当使用3A电源启动时，如果在config.txt中没有上述声明，则bootloader在HDMI诊断屏幕上会显示一条警告消息，并且bootloader将跳至下一个启动模式。

Trying partition: 0
type: 32 lba: 8192 'mkfs.fat' ' bootfs     ' clusters 130554 (4)
rsc 32 fat-sectors 1020 root dir cluster 2 sectors 0 entries 0
FAT32 clusters 130554
[MSD [01:00] 2.00 000000:02] autoboot.txt not found
Trying partition: 0
type: 32 lba: 8192 'mkfs.fat' ' bootfs     ' clusters 130554 (4)
rsc 32 fat-sectors 1020 root dir cluster 2 sectors 0 entries 0
FAT32 clusters 130554
Read config.txt bytes     2109 hnd 0x10a
[MSD [01:00] 2.00 000000:02] pieeprom.upd not found
usb_max_current_enable default 0 max-current 900
Read bcm2712-rpi-5-b.dtb bytes    71862 hnd 0x5101
dt-match: compatible: raspberrypi,5-model-b match: brcm,bcm2712
dt-match: compatible: brcm,bcm2712 match: brcm,bcm2712
***
USB boot requires a high current (5V 5A) power supply.
To disable this check set usb_max_current_enable=1 in config.txt
or press the power button to temporarily enable usb_max_current_enable
and continue booting.
See https://rptl.io/rp5-power_supply for more information
***

bootloader将提示您“按电源按钮继续”，这会临时启用usb_max_current_enable=1，以允许您从USB引导。除非您的磁盘有自己的外部电源，否则您的树莓派可能没有足够的可用电流。

电源和树莓派OS

bootloader通过设备树/proc/device-tree/chosen/power传递有关电源的信息。用户通常不会直接阅读此内容。

• max_current：最大电流（mA）
• uspd_power_data_objects：PDO转储 - 供高级用户调试
• usb_max_current_enable：电流限制器设置为高还是低
• usb_over_current_Detected：在将控制权转移给操作系统之前启动过程中是否发生USB过流
• reset_event：PMIC复位原因，例如Watchdog、过压或欠压、过温

PMIC（电源管理芯片）具有内置ADC，除此之外还可以测量电源电压EXT5V_V。

vcgencmd pmic_read_adc

注意：您看不到USB当前电流或直接连接到5V引脚的电流信息，因为它绕过了PMIC。虽然您不期望看到增加电源的功耗，然而通过监视核心电压等指标可能是一种有效的评估供电情况的方法。

散热方案

树莓派5设计用于处理典型的客户端工作负载，无外壳，无主动冷却。对于较重的负载，在给树莓派5散热时有两种官方选项。这两种选项均插入位于电路板右上角、40针GPIO接头和USB 2之间的4针JST PWM风扇插口。

这两个可用的官方配件均由树莓派固件主动管理。随着树莓派温度的升高，风扇会做出以下反应：

• 低于 50°C，风扇不旋转（0% 速度）
• 50°C时，风扇以低速运转（30%速度）
• 60°C时，风扇速度增加至中速（50%速度）
• 67.5°C时，风扇转速增至高速（70%转速）
• 75°C时，风扇升至全速（100%速度）

温度降低时风扇速度也与温度范围有相同的匹配关系，具有5°C的滞后；当温度降至低于上述每个阈值5°C时，风扇速度会降低。

注意：USB端口和风扇插口均采用相同的1.6A电流限制。

启动时风扇将被打开，以检查风扇是否旋转，如果是则将cooling_fan的status在设备树中置为enabled。默认情况bcm2712-rpi-5-b.dtb设备树描述中的此项存在，但它的状态是status=disabled.

风扇盒

树莓派5官方保护壳

树莓派5的官方保护壳配有集成风扇。HAT可以通过移除风扇直接安装在树莓派5顶部，也可以使用14毫米高的支架和19毫米GPIO延长器安装在风扇顶部。这些可以从授权经销商处单独购买。

集成的2.79（最大）CFM风扇配备液态轴承，可实现低噪音和延长使用寿命。空气通过盖子下方的360°槽吸入，吹过连接到BCM2712的散热器，然后通过底座上的孔洞和通风口排出。

Active Cooler散热器

适用于树莓派5的Active Cooler

Active Cooler是一款带有集成风扇的一体式阳极氧化铝散热器。它具有预涂的导热垫用于传热，并使用弹簧推针直接安装到树莓派5板上。它连接到与风扇盒相同的4针JST插口。

选择径向风机以降低噪音并延长使用寿命，将空气推过挤压和铣削过的铝制散热器。Active Cooler的散热性能比Fan Case稍胜一筹，特别适合超频玩家。

注意：径向风机是机电系统，使用风扇和指定通道将空气引导至特定方向。虽然风扇可以排出大量空气并促进指定区域内的循环，但径向风机可以提供一定程度的空气加压，以将空气排出并向前移动。

主动散热器并未设计为可从树莓派5中反复拆卸(译注：一旦装上将很难拆下，请谨慎选择)。

散热测试

对树莓派5的所有四个核心增加负载开始压力测试。测试期间检查了两种主要的热管理机制：无散热和受控主动散热。使用Active Cooler 和适用于树莓派5的树莓派Case运行托管主动冷却测试。

CPU 温度与时间的关系图

在没有散热的情况下，我们看到闲置温度约为65°C，在压力测试期间最高温度高于85°C，导致处理器报告的温度升至高于上限后持续的热限制。

由于配备了Active Cooler的被动散热器，我们看到怠速温度低得多，约为45°C。在长时间的负载测试中，散热器的风扇低速旋转，将CPU温度稳定在60°C，测试期间最高温度为62°C至63°C。

使用风扇盒时，我们发现闲置温度比单独使用Active Cooler高几度，约为48°C。取下盖子后，我们看到持续负载下的最高温度约为72°C，而盖上盖子后，我们看到重负载下的最高温度略高，约为74°C。虽然重负载下的温度高于Active Cooler，但重负载下的最高温度仍然远低于80和85°C节流温度。

树莓派5设计用于处理典型的客户端工作负载，无外壳，无主动冷却。对于正常使用，添加散热是可选的，尽管主动散热可能会提高性能。然而重的连续负载（例如重建Linux内核）将迫使新的树莓派5进入热节流状态。对于重负载，热节流可以延长处理时间，而被动散热可能不足以实现热管理。

然而，任何类型的散热都不是强制性的，如果不进行散热，不会对树莓派造成任何损害。

引脚排列

风扇插口为1mm间距JST SH插座，有四个引脚：

别针 功能
1 +5V
2 PWM
3 GND
4 转速

官方风扇是Coolcox CC3007H05S部件。