【原创】【系列之一】单片机系统的电源方案选择 -- 电源的七十二种化身

风过琴弦

电源选用系列之一

电源的七十二种化身

...序言...

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2017-11-20 11:24 上传

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     电源领域种类繁杂，各种电源有不同的特点、不同的适用场景。本文为系列的第一篇，面向非电源硬件工程师的日常工作，介绍常见的各种电源方案，给出各方案的主体框架，并对其优缺点、适用场合做出详细说明。本文不打算详细介绍拓扑结构、电路细节，按文中的关键词，在网上很容易找到大厂芯片、典型电路、模块厂家。

    本文的目标是，依据本文即可快速地为硬件电路选择一个电源的总体方案，并且能在讨论中怼死对方讲出其中的要点。

    作者多年前从单片机领域转入电源领域，现任职于南京亨乾电子，从事板载式电源模块研发。本文好像是软文但是全是干货啊的写作受到公司的邀请和大力支持。

...正文...

    在单片机、嵌入式领域最常用到的场景，是从AC 220V 市电获取能用于电子电路的低压直流电，如5V、12V等。我们一般把这类产品叫做AC-DC电源。（这个叫法并不严格，只是习惯上的简称。）很明显，从市电的交流220V转换来的电源，面临一个安全问题。这样根据有没有变压器隔离，AC-DC首先分为隔离电源和非隔离电源。

    另外一类主要的电路称为DC-DC，用于直流电的电压转换。常见的如电路板需要多路电压的情况，及电池供电系统。在某些场合，DC-DC也需要变压器的隔离。

非隔离电源

    非隔离电源的AC-DC电路用于人体不会直接接触的地方，如LED灯内部。相比用变压器隔离过的二次电源，非隔离电源成本更低、设计更简单，但同时在雷电感应时，以及同一电源线有大功率电机等严重干扰时，应用电路更容易出错或者损坏，因此只有照明等很少数场合使用。

图：Viper22构成非隔离电路

    非隔离电源更主要的应用，是电路中需要用到多路直流电压的时候，进行低压DC的电压转换。电子产品通常的电源解决方案是，市电通过开关电源类产品后变换为直流电源，如12V，给模拟电路供电，同时在电路板上通过DC-DC电路，再转换为需要的另一种电压，如单片机用的5V。常见的产品，如家用的路由器、笔记本电脑、手机等等，都是采用这种方案。

    这种方案中，降压操作在电流较小时可以用线性电源器件实现，如7805、LM1117等，在电流较大时，可用开关类方案，如34063、2596等。后者最常用的电路结构（拓扑）称为buck电路。

    线性电路的效率要比开关状态的buck电路低很多，这意味着负载稍重就需要在线性元件上增加散热片。但是线性电路的成本要低于buck电路，设计上也极为简单。

    负压也用buck结构的电路，但是多数buck芯片不直接支持负压，需要设计附加电路。可以直接输出负电压的芯片如TI的TPS54060。

    升压电路最常用的是boost电路，如TI的TPS61088。

    有时需要同一个电路电路既能升压也能降压，这种电路也是有的，常用的叫 buck-boost，比如9V-18V输入都可以输出12V。

组图：

1117，2596，54060，TPS61088

    如前所说，buck、boost、buck-boost三种电路都工作在高频开关状态。现在主流芯片的开关频率在几百KHz到1MHz以上。非隔离的开关电路是转换效率最高的一类，通常在85%-95%左右。

    形形色色的DC-DC电路结构有很多，上述三种是应用最广泛的，均有国际大厂的集成芯片支持，网上很容易找到典型应用电路。

    非隔离电路还有一个重要应用场景是电池供电的系统。电池电压都是随电量有所变化，而且几乎没有5V、3.3V之类恰好合适的电压，所以DC-DC变换必不可少。例如国产的TP5600系列是专用的锂电池充电、保护、并输出5V的芯片，设计为用于移动电源，很适合用于手持设备的电池管理。

图：TP5602

    相对于隔离电源，非隔离电源较简单，没有专业大厂做成品，一般都是研发者自己做在应用电路的电路板上。

隔离电源

    隔离电源的关键器件是变压器，用于阻断初级与次级间的电气接触（通过交变磁场将能量从初级耦合到次级）。经过变压器后的次级（如果电压不高），对人体就是安全的。再经过整流滤波等，就可以用于手机、电脑，以及你设计的应用电路。

    隔离电源大体又分为两类，一类用工频变压器实现，为开环结构，即不依靠反馈，而是把变压器的输出电压整流滤波后，通过线性电源器件（如7805、1117等）得到最终需要的稳定电压。我们将这一方案简称为线性电源（这是一个不严谨的叫法，只是为了简便。也有叫变压器方案的）。另一类用高频变压器，使用反馈电路得到所需电压。我们称之为开关电源类产品。

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线性电源

    线性电源最常见的应用是微功率电路，例如一两瓦以内的功率消耗。在这个应用场景中，线性电源比开关电源模块方案，重量只增加几倍，体积也只大几倍，都在通常仪器设备可接受的范围内，但批量价格要低很多。

    在可靠性方面，常见说法是线性电源因为元件数量少得多，必然可靠性更高，但是这是有前提条件的。工频变压器输出的电压随负载变化很大，要求整流滤波后使用一个线性元件（如7805）来稳定电压。为保证在市电电压最低、负载最大时仍能输出足够电压，变压器的额定输出电压需要高出所需电压很多，这样会在线性元件上消耗较大的功率。这意味着线性元件可能长时间工作在高温状态。如果要体现可靠性的优势，就需要在设计中采用足够大的散热器，并且变压器的额定输出电压在够用的前提下尽量不要太高。

file:///C:\Users\dee\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB1FB.tmp.jpg    在几瓦以上的应用中，需要很大的工频变压器，可能其重量比所有其他东西加起来还要重很多，体积也可能占整体的一大半，加上同样大得不成样子的线性电源的散热器，多数情况下并不实用。（成品线性元件如7805类的无法支持这么大的电流，也是因为需求很少。但是可以用三极管和电压基准来实现）

    另一个需要考虑的角度是加工工时。相比模块电源的四脚插针焊接，工频变压器方案需要的焊接安装工作量更大，而且有些部分难以实现自动化，包括变压器螺丝固定、引线压端子、接线或焊线，散热片涂抹硅脂、加绝缘垫片、螺丝固定。

    小型工频变压器有的输入输出是插针，可以焊在电路板上，省去了焊线或压端子的工序，但由于变压器重量较大，在跌落或震动情况下更容易出现脱焊等失效情形。

图：散热片工艺要求

开关电源

    微电子设备中，主要采用开关电源类产品。

    开关电源的大体工作流程如下图：AC220V首先经过EMC滤波，然后经过桥式整流，由电解电容滤波，形成高压直流电（约DC310V）。变压器在开关元件的作用下，周期性地导通关断，从而在次级耦合成周期性的电压。该电压经整流滤波后，形成输出电压。输出电压再与电压基准进行比较产生反馈信号，经光耦隔离后，用来控制开关元件的导通情况（通常是占空比）。

file:///C:\Users\dee\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB1FC.tmp.png

图：开关电源电路结构

    开关电源这一工作原理，在看上去差别很大的诸多产品中都有应用。常见的包括台式电脑内的电源，笔记本电脑的电源适配器，手机充电器，我们常说的开关电源，以及几厘米大小、板载式的电源模块，高端LED灯的电源，其实都是同一类东西。

    开关类的电源之所以得到广泛应用，是因为其有着明确的优势。

    首先是体积和重量。前面已经提过，在小功率时已经有成倍的差异。在中大功率时，工频变压器加线性电源的方案只在很少的特殊场合中使用，如部分高端音响、高精度仪器等。我有一台三百瓦的音频功放，其变压器比20斤的一袋大米还重。

file:///C:\Users\dee\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB20C.tmp.png

    板载式的电源模块作为开关电源类中的一个分支，更进一步追求小尺寸，同时插针封装、电路板焊接更进一步节约加工工序，省时且经济。

    开关电源类的另外一个优势是高效率。工频变压器方案中，由于线性元件的存在，使得效率大为降低，典型情况下，只有60%左右。而在开关类电源产品中，以我们的产品为例，效率最低的5W输出产品其效率也有72%以上。这种情况发生在输出功率最小的产品上，因为电源本身总要有一定损耗，输出功率小，损耗占的比重就高。10W产品的效率就达80以上%，15W则为85%左右。（板载式电源模块追求小体积，会适当牺牲一些效率，如果换用更大尺寸的变压器，比如有市售开关电源那样的空间，效率可以做有更进一步的提升）

file:///C:\Users\dee\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB21D.tmp.jpg    高效率的意义在于低发热，而低发热意味着长寿命和高可靠性。这一点不但对电源本身有意义，而且相当多的情况下，电源和应用电路是安排在同一个机壳中的，尤其是小型采集测控等系统，空间有限，内部温度很容易升高。发热量少对整个系统的寿命和可靠性，都有很大意义。

    开关类电源之所以可以做到体积重量很小，关键的一点是开关频率比工频高很多。市电输入的开关电源工作频率一般在几十KHz到一百多KHz，输入电压低（二三十伏以下）的一般工作在几百KHz到上MHz。

所有的变压器一定要在电压电流变化的状态下才能工作。工频变压器利用市电的交流变化来工作，而开关电源用开关元件（如MOSFET、IGBT等），由专用的电路来控制该开关元件的导通和关断，这样就可以以很高的频率工作。频率提高，所需的变压器、滤波电感电容，都可以采用更小值更小体积的，因此整体的重量和尺寸都小得多。

    开关频率并不能一直提高，原因在于MOSFET等开关器件有不可避免的开关损耗，每一次开关都会产生一次损耗，这样频率越高，损耗越大、效率越低；变压器的涡流损耗也随频率增加；导线（包括变压器绕组）也有涡流损耗。当这些额外增加的损耗成为主要部分时，再继续提高频率就会开始得不偿失。

    当然，相比线性电源，开关电源也有不足。如高端音响和仪器中之所以用线性电源，是因为开关电源的工作机制--开关过程--决定了其不可避免地产生一定的电磁噪声。

    在大多数应用中，这个噪声远不是木桶的最短板，但是也有些场合例外。为了确定开关电源的噪声到底对应用电路有多大影响，一个很简单的方法就是对比。当出现噪声问题时，根据需要，用一个一线大厂的产品，如Vicor，或者用一个线性电源暂时替代原来的开关电源，即可确定是否电源噪声过大。关于电源噪声的问题，将在其它文章中深入探讨。

    另外如前所述，在微功率场合，线性电源的成本更低。

    开关电源类产品的另一个问题是具有一定的技术难度，如电磁噪声，磁路设计，环路稳定等。这些问题，使得专业的开关电源类厂家有了存在的价值，但同时也使得普通中小电子企业不必自己深究电源问题。例如亨乾电子的电源模块，插针封装，焊在电路板上，串入保险丝即可，连输出电容都不一定需要。研发人员可以把精力集中在应用电路上，省时省力、加快产品上市速度。

简单总结

· 变压器加线性元件的方案适合AC-DC微功率场合，电路简单，成本低；局限是只适用于微功率场合。

· 开关电源类AC-DC适合绝大多数场合，成本-性能-尺寸重量均衡，技术复杂但同时有专门厂家生产成品，可以加快产品上市速度。

· 其中电源模块体积更小，适合小尺寸设备仪器，焊装方便，适合批量生产，但价格稍高。

· 非隔离DC-DC主要用于产生第二路、第三路电压，也用于电池供电电路，效率最高，成本中等。设计调试难度不算高，基本没有大公司成品销售，需要自己做在电路板上。

本文介绍了单片机、嵌入式领域常见的电源方案并做了比较，下一篇，将对使用最为广泛的开关类电源产品的参数和选用做详细讲解。

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