电源原理分析

直流电源管理系统的关键部件是为相关系统提供直流供电的电源。直流电源管理的具体类型取决于它的功率输入，包括：

AC输入-接受交流电力输入，然后，对其进行整流和滤波，得到的直流电压后接到稳压电路，稳压电路能够提供恒定的直流输出电压。有各种各样的交流直流电源，其输出电压可以小于1伏到几千伏。这种直流电源管理系统通常采用开关电源，有些线性电源是可用的。

DC输入-接受直流电压输入，通常为5伏，12V，24V，或48伏，并产生直流输出电压。在低端，这种类型的电源可以产生小于1VDC，而其他DC-DC电源可以产生数千伏直流。这里，电源管理通常采用开关模式电源。

电池输入（用于便携设备）-由于便携式设备的尺寸和重量限制，这种电源管理功能通常与电子系统的其余部分集成在一起。这些系统中的一些还包括一个AC适配器，它是一个插入交流壁出口并提供直流输出电压的小功率单元。通常，AC适配器被用于给单元供电，也可以给系统电池充电。

超低电压输入（能量收集）-能量收集可以提供充电、补充或更换电池的能量。能量采集器中的一个关键部件是可以用超低电压输入工作的功率转换器。在运行中，该功率转换器捕获微小量的能量，对其进行累积、存储，然后将存储的能量作为电源维持。低电压输入可以来自太阳能、热能、风能或动能。

线性与开关电源

有两个基本电源配置与直流电源管理子系统：线性和开关模式。线性电源总是导通电流。开关模式将DC转换为开关信号，然后将其整流以产生直流输出。这两种配置之间的差异包括大小和重量，功率处理能力，电磁干扰和调节。

线性调节器的主要部件是通过晶体管、误差放大器和电压基准，如图1-1所示。线性调节器通过使用误差放大器将输出电压的一部分与稳定的电压基准进行比较，从而保持恒定的输出电压。如果输出电压趋于增加，反馈导致通过晶体管降低输出电压，反之亦然。OEM线性电源可以处理几个安培电流。它们通常是笨重的台式或架装用品。

图1-1 基本AC-DC线性电源

在大多数应用中，旧的、高电流的线性电源已经被开关模式电源取代。图1-2所示是典型的隔离开关模式电源。这里，对AC输入电压进行整流和滤波，以获得其他电源部件的直流电压。一种广泛使用的方法使用ON和OFF时间脉宽调制（PWM）来控制功率开关输出电压。导通时间与开关周期时间之比是占空比。占空比越高，功率半导体开关的功率输出越高。

图1-2所示是典型的隔离开关模式电源

误差放大器将输出电压反馈的一部分与稳定的电压基准进行比较，以产生用于PWM电路的驱动器。所得到的用于PWM的驱动控制施加到功率开关的脉冲信号的占空比，而功率开关又控制电源直流输出电压。如果输出电压趋于上升或下降，PWM改变占空比，使得直流输出电压保持恒定。

需要隔离电路来维持输出接地与供应到电源组件的电源之间的隔离。通常，光耦合器提供隔离，同时允许反馈电压来控制电源的输出。

电感电容低通输出滤波器将开关电压从开关变压器转换为直流电压。滤波器并不完美，所以总是存在一些残余的输出噪声，称为“纹波”。纹波的数量取决于低通滤波器在开关频率下的有效性。电源开关频率可以在100kHz到1MHz之间。更高的开关频率允许在输出低通滤波器中使用较小尺寸、较低值的电感器和电容器。然而，较高的频率也可以增加功率半导体损耗，这降低了电源效率。

电源开关是电源的关键部件，在功耗方面。开关通常是一个功率MOSFET，它只在两个状态下工作。在关断状态下，电源开关汲取非常少的电流并消耗非常小的功率。在导通状态下，功率开关抽取最大电流量，但是其导通电阻低，因此在大多数情况下其功耗最小。在从导通状态到关断状态以及从关断状态到导通状态的转换中，功率开关通过其线性区域，因此可以消耗适量的功率。因此，功率开关的总损耗是开关状态加上通过其线性区域的转变的总和。实际损耗取决于功率开关及其工作特性。表1-1比较隔离、交流直流线性和开关模式电源的特性。

电压调节IC

所有电源的输出电压几乎都取决于电压调节器IC。这些IC从整流AC或电池获得直流输入。在运行中，电压调节器反馈其输出电压的百分比，与稳定的参考电压相比较。如果与参考电压相比，输出电压趋于上升或下降，则反馈使输出保持不变。