[原創] 【連載之一】電源的(de)七十二種化(huà)身

本文pdf版下(xià)載 電源的(de)七十二種化(huà)身.pdf 

...序言...

非隔離電源的(de)AC-DC電路用(yòng)于人(rén)體不會直接接觸的(de)地方，如LED燈内部。相比用(yòng)變壓器隔離過的(de)二次電源，非隔離電源成本更低、設計更簡單，但同時(shí)在雷電感應時(shí)，以及同一電源線有大(dà)功率電機等嚴重幹擾時(shí)，應用(yòng)電路更容易出錯或者損壞，因此隻有照(zhào)明(míng)等很少數場(chǎng)合使用(yòng)。

非隔離電源更主要的(de)應用(yòng)，是電路中需要用(yòng)到多(duō)路直流電壓的(de)時(shí)候，進行低壓DC的(de)電壓轉換。電子産品通(tōng)常的(de)電源解決方案是，市電通(tōng)過開關電源類産品後變換爲直流電源，如12V，給模拟電路供電，同時(shí)在電路闆上通(tōng)過DC-DC電路，再轉換爲需要的(de)另一種電壓，如單片機用(yòng)的(de)5V。常見的(de)産品，如家用(yòng)的(de)路由器、筆記本電腦(nǎo)、手機等等，都是采用(yòng)這(zhè)種方案。

 這(zhè)種方案中，降壓操作在電流較小時(shí)可(kě)以用(yòng)線性電源器件實現，如7805、LM1117等，在電流較大(dà)時(shí)，可(kě)用(yòng)開關類方案，如34063、2596等。後者最常用(yòng)的(de)電路結構（拓撲）稱爲buck電路。

線性電路的(de)效率要比開關狀态的(de)buck電路低很多(duō)，這(zhè)意味著(zhe)負載稍重就需要在線性元件上增加散熱(rè)片。但是線性電路的(de)成本要低于buck電路，設計上也(yě)極爲簡單。

負壓也(yě)用(yòng)buck結構的(de)電路，但是多(duō)數buck芯片不直接支持負壓，需要設計附加電路。可(kě)以直接輸出負電壓的(de)芯片如TI的(de)TPS54060。

升壓電路最常用(yòng)的(de)是boost電路，如TI的(de)TPS61088。

另有可(kě)以升降壓自動切換的(de)電路稱爲buck-boost，比如9V-18V輸入都可(kě)以輸出12V。

組圖：1117，2596，54060，TPS61088

如前所說，buck、boost、buck-boost三種電路都工作在高(gāo)頻(pín)開關狀态。現在主流芯片的(de)開關頻(pín)率在幾百KHz到1MHz以上。非隔離的(de)開關電路是轉換效率最高(gāo)的(de)一類，通(tōng)常在85%-95%左右。

形形色色的(de)DC-DC電路結構有很多(duō)，上述三種是應用(yòng)最廣泛的(de)，均有國際大(dà)廠的(de)集成芯片支持，網上很容易找到典型應用(yòng)電路。

非隔離電路還(hái)有一個(gè)重要應用(yòng)場(chǎng)景是電池供電的(de)系統。電池電壓都是随電量有所變化(huà)，而且幾乎沒有5V、3.3V之類恰好合适的(de)電壓，所以DC-DC變換必不可(kě)少。例如國産的(de)TP5600系列是專用(yòng)的(de)锂電池充電、保護、并輸出5V的(de)芯片，設計爲用(yòng)于移動電源，很适合用(yòng)于手持設備的(de)電池管理(lǐ)。

圖：TP5602

相對(duì)于隔離電源，非隔離電源較簡單，沒有專業大(dà)廠做(zuò)成品，一般都是研發者自己做(zuò)在應用(yòng)電路的(de)電路闆上。

隔離電源

隔離電源的(de)關鍵器件是變壓器，用(yòng)于阻斷初級與次級間的(de)電氣接觸（通(tōng)過交變磁場(chǎng)将能量從初級耦合到次級）。經過變壓器後的(de)次級（如果電壓不高(gāo)），對(duì)人(rén)體就是安全的(de)。再經過整流濾波等，就可(kě)以用(yòng)于手機、電腦(nǎo)，以及你設計的(de)應用(yòng)電路。

隔離電源大(dà)體又分(fēn)爲兩類，一類用(yòng)工頻(pín)變壓器實現，爲開環結構，即不依靠反饋，而是把變壓器的(de)輸出電壓整流濾波後，通(tōng)過線性電源器件（如7805、1117等）得(de)到最終需要的(de)穩定電壓。我們将這(zhè)一方案簡稱爲線性電源（這(zhè)是一個(gè)不嚴謹的(de)叫法，隻是爲了(le)簡便。也(yě)有叫變壓器方案的(de)）。另一類用(yòng)高(gāo)頻(pín)變壓器，使用(yòng)反饋電路得(de)到所需電壓。我們稱之爲開關電源類産品。

  

線性電源

線性電源最常見的(de)應用(yòng)是微功率電路，例如一兩瓦以内的(de)功率消耗。在這(zhè)個(gè)應用(yòng)場(chǎng)景中，線性電源比開關電源模塊方案，重量隻增加幾倍，體積也(yě)隻大(dà)幾倍，都在通(tōng)常儀器設備可(kě)接受的(de)範圍内，但批量價格要低很多(duō)。

在可(kě)靠性方面，常見說法是線性電源因爲元件數量少得(de)多(duō)，必然可(kě)靠性更高(gāo)，但是這(zhè)是有前提條件的(de)。工頻(pín)變壓器輸出的(de)電壓随負載變化(huà)很大(dà)，要求整流濾波後使用(yòng)一個(gè)線性元件（如7805）來(lái)穩定電壓。爲保證在市電電壓最低、負載最大(dà)時(shí)仍能輸出足夠電壓，變壓器的(de)額定輸出電壓需要高(gāo)出所需電壓很多(duō)，這(zhè)樣會在線性元件上消耗較大(dà)的(de)功率。這(zhè)意味著(zhe)線性元件可(kě)能長(cháng)時(shí)間工作在高(gāo)溫狀态。如果要體現可(kě)靠性的(de)優勢，就需要在設計中采用(yòng)足夠大(dà)的(de)散熱(rè)器，并且變壓器的(de)額定輸出電壓在夠用(yòng)的(de)前提下(xià)盡量不要太高(gāo)。

在幾瓦以上的(de)應用(yòng)中，需要很大(dà)的(de)工頻(pín)變壓器，可(kě)能其重量比所有其他(tā)東西加起來(lái)還(hái)要重很多(duō)，體積也(yě)可(kě)能占整體的(de)一大(dà)半，加上同樣大(dà)得(de)不成樣子的(de)線性電源的(de)散熱(rè)器，多(duō)數情況下(xià)并不實用(yòng)。（成品線性元件如7805類的(de)無法支持這(zhè)麽大(dà)的(de)電流，也(yě)是因爲需求很少。但是可(kě)以用(yòng)三極管和(hé)電壓基準來(lái)實現）

另一個(gè)需要考慮的(de)角度是加工工時(shí)。相比模塊電源的(de)四腳插針焊接，工頻(pín)變壓器方案需要的(de)焊接安裝工作量更大(dà)，而且有些部分(fēn)難以實現自動化(huà)，包括變壓器螺絲固定、引線壓端子、接線或焊線，散熱(rè)片塗抹矽脂、加絕緣墊片、螺絲固定。

圖：散熱(rè)片工藝要求

小型工頻(pín)變壓器有的(de)輸入輸出是插針，可(kě)以焊在電路闆上，省去了(le)焊線或壓端子的(de)工序，但由于變壓器重量較大(dà)，在跌落或震動情況下(xià)更容易出現脫焊等失效情形。

開關電源

微電子設備中，主要采用(yòng)開關電源類産品。

開關電源的(de)大(dà)體工作流程如下(xià)圖：AC220V首先經過EMC濾波，然後經過橋式整流，由電解電容濾波，形成高(gāo)壓直流電（約DC310V）。變壓器在開關元件的(de)作用(yòng)下(xià)，周期性地導通(tōng)關斷，從而在次級耦合成周期性的(de)電壓。該電壓經整流濾波後，形成輸出電壓。輸出電壓再與電壓基準進行比較産生反饋信号，經光(guāng)耦隔離後，用(yòng)來(lái)控制開關元件的(de)導通(tōng)情況（通(tōng)常是占空比）。

圖：開關電源電路結構

開關電源這(zhè)一工作原理(lǐ)，在看上去差别很大(dà)的(de)諸多(duō)産品中都有應用(yòng)。常見的(de)包括台式電腦(nǎo)内的(de)電源，筆記本電腦(nǎo)的(de)電源适配器，手機充電器，我們常說的(de)開關電源，以及幾厘米大(dà)小、闆載式的(de)電源模塊，高(gāo)端LED燈的(de)電源，其實都是同一類東西。

開關類的(de)電源之所以得(de)到廣泛應用(yòng)，是因爲其有著(zhe)明(míng)确的(de)優勢。

首先是體積和(hé)重量。前面已經提過，在小功率時(shí)已經有成倍的(de)差異。在中大(dà)功率時(shí)，工頻(pín)變壓器加線性電源的(de)方案隻在很少的(de)特殊場(chǎng)合中使用(yòng)，如部分(fēn)高(gāo)端音(yīn)響、高(gāo)精度儀器等。我有一台三百瓦的(de)音(yīn)頻(pín)功放，其變壓器比20斤的(de)一袋大(dà)米還(hái)重。

闆載式的(de)電源模塊作爲開關電源類中的(de)一個(gè)分(fēn)支，更進一步追求小尺寸，同時(shí)插針封裝、電路闆焊接更進一步節約加工工序，省時(shí)且經濟。

開關電源類的(de)另外一個(gè)優勢是高(gāo)效率。工頻(pín)變壓器方案中，由于線性元件的(de)存在，使得(de)效率大(dà)爲降低，典型情況下(xià)，隻有60%左右。而在開關類電源産品中，以我們的(de)産品爲例，效率最低的(de)5W輸出産品其效率也(yě)有72%以上。這(zhè)種情況發生在輸出功率最小的(de)産品上，因爲電源本身總要有一定損耗，輸出功率小，損耗占的(de)比重就高(gāo)。10W産品的(de)效率就達80以上%，15W則爲85%左右。（亨乾電子主打闆載式小體積産品，如果換用(yòng)更大(dà)尺寸的(de)變壓器，比如有市售開關電源那樣的(de)空間，效率可(kě)以做(zuò)有更進一步的(de)提升）

高(gāo)效率的(de)意義在于低發熱(rè)，而低發熱(rè)意味著(zhe)長(cháng)壽命和(hé)高(gāo)可(kě)靠性。這(zhè)一點不但對(duì)電源本身有意義，而且相當多(duō)的(de)情況下(xià)，電源和(hé)應用(yòng)電路是安排在同一個(gè)機殼中的(de)，尤其是小型采集測控等系統，空間有限，内部溫度很容易升高(gāo)。發熱(rè)量少對(duì)整個(gè)系統的(de)壽命和(hé)可(kě)靠性，都有很大(dà)意義。

開關類電源之所以可(kě)以做(zuò)到體積重量很小，關鍵的(de)一點是開關頻(pín)率比工頻(pín)高(gāo)很多(duō)。市電輸入的(de)開關電源工作頻(pín)率一般在幾十KHz到一百多(duō)KHz，輸入電壓低（二三十伏以下(xià)）的(de)一般工作在幾百KHz到上MHz。

所有的(de)變壓器一定要在電壓電流變化(huà)的(de)狀态下(xià)才能工作。工頻(pín)變壓器利用(yòng)市電的(de)交流變化(huà)來(lái)工作，而開關電源用(yòng)開關元件（如MOSFET、IGBT等），由專用(yòng)的(de)電路來(lái)控制該開關元件的(de)導通(tōng)和(hé)關斷，這(zhè)樣就可(kě)以以很高(gāo)的(de)頻(pín)率工作。頻(pín)率提高(gāo)，所需的(de)變壓器、濾波電感電容，都可(kě)以采用(yòng)更小值更小體積的(de)，因此整體的(de)重量和(hé)尺寸都小得(de)多(duō)。

開關頻(pín)率并不能一直提高(gāo)，原因在于MOSFET等開關器件有不可(kě)避免的(de)開關損耗，每一次開關都會産生一次損耗，這(zhè)樣頻(pín)率越高(gāo)，損耗越大(dà)、效率越低；變壓器的(de)渦流損耗也(yě)随頻(pín)率增加；導線（包括變壓器繞組）也(yě)有渦流損耗。當這(zhè)些額外增加的(de)損耗成爲主要部分(fēn)時(shí)，再繼續提高(gāo)頻(pín)率就會開始得(de)不償失。

當然，相比線性電源，開關電源也(yě)有不足。如高(gāo)端音(yīn)響和(hé)儀器中之所以用(yòng)線性電源，是因爲開關電源的(de)工作機制--開關過程--決定了(le)其不可(kě)避免地産生一定的(de)電磁噪聲。

    在大(dà)多(duō)數應用(yòng)中，這(zhè)個(gè)噪聲遠(yuǎn)不是木(mù)桶的(de)最短闆，但是也(yě)有些場(chǎng)合例外。爲了(le)确定開關電源的(de)噪聲到底對(duì)應用(yòng)電路有多(duō)大(dà)影(yǐng)響，一個(gè)很簡單的(de)方法就是對(duì)比。當出現噪聲問題時(shí)，根據需要，用(yòng)一個(gè)一線大(dà)廠的(de)産品，如Vicor，或者用(yòng)一個(gè)線性電源暫時(shí)替代原來(lái)的(de)開關電源，即可(kě)确定是否電源噪聲過大(dà)。關于電源噪聲的(de)問題，将在其它文章(zhāng)中深入探討(tǎo)。

另外如前所述，在微功率場(chǎng)合，線性電源的(de)成本更低。

開關電源類産品的(de)另一個(gè)問題是具有一定的(de)技術難度，如電磁噪聲，磁路設計，環路穩定等。這(zhè)些問題，使得(de)專業的(de)開關電源類廠家有了(le)存在的(de)價值，但同時(shí)也(yě)使得(de)普通(tōng)中小電子企業不必自己深究電源問題。例如亨乾電子的(de)電源模塊，插針封裝，焊在電路闆上，串入保險絲即可(kě)，連輸出電容都不一定需要。研發人(rén)員(yuán)可(kě)以把精力集中在應用(yòng)電路上，省時(shí)省力、加快(kuài)産品上市速度。

簡單總結

·變壓器加線性元件的(de)方案适合AC-DC微功率場(chǎng)合，電路簡單，成本低；局限是隻适用(yòng)于微功率場(chǎng)合。

·開關電源類AC-DC适合絕大(dà)多(duō)數場(chǎng)合，成本-性能-尺寸重量均衡，技術複雜(zá)但同時(shí)有專門廠家生産成品，可(kě)以加快(kuài)産品上市速度。

·其中電源模塊體積更小，适合小尺寸設備儀器，焊裝方便，适合批量生産，但價格稍高(gāo)。

·非隔離DC-DC主要用(yòng)于産生第二路、第三路電壓，也(yě)用(yòng)于電池供電電路，效率最高(gāo)，成本中等。設計調試難度不算(suàn)高(gāo)，基本沒有大(dà)公司成品銷售，需要自己做(zuò)在電路闆上。

本文介紹了(le)單片機、嵌入式領域常見的(de)電源方案并做(zuò)了(le)比較，下(xià)一篇，将對(duì)使用(yòng)最爲廣泛的(de)開關類電源産品的(de)參數和(hé)選用(yòng)做(zuò)詳細講解。