【硬十宝典】——1.1【基础知识】电源的分类

1、AC/DC与DC/DC

  AC/DC是开关电源的其中一类。该类电源也称一次电源——AC是交流，DC是直流，它，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦－几千瓦均有产品，用于不同场合。

  AC/DC电源管理芯片变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

  AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化。

  DC/DC电源指直流转换为直流的电源，从这个定义上看，广义的DCDC表示只要是直流转直流都叫DCDC，LDO（低压差线性稳压器）芯片也应该属于DC/DC电源。但是约定俗成的定义是：一般只将直流变换到直流，且这种转换方式是通过开关方式实现的电源称为DC/DC电源。（第一张图中，狭义的DC/DC）

2、线性电源 与 开关电源

  线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（与压降多少有关），需要加体积庞大的散热片。实现AC/DC时，还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。

  开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高。AC/DC电源省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波（50mVat5Voutputtypical），在输出端并接稳压二极管可以改善，另外由于开关管工作时会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串连磁珠加以改善。相对而言线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小（5mV以下）。

  开关电源通过不同的拓扑结构可以实现，降压、升压、升降压。而线性电源只能实现降压。

3、普通电源与特种电源

  电源分为普通电源和特种电源两类。
普通电源
  又可细分为：PC电源、整流电源、定制电源、加热电源、焊接电源/电弧电源、电镀电源、开关电源、逆变电源、交流稳压电源、直流稳压电源、DC/DC电源、通信电源、模块电源、变频电源、UPS电源、EPS应急电源、净化电源、网络电源、电力操作电源、适配器电源、线性电源、电源控制器/驱动器、功率电源、其他普通电源、逆变电源、参数电源、调压电源、变压器电源。

特种电源
  特种电源又可细分为：岸电电源、安防电源、高压电源、医疗电源、军用电源、航空航天电源、激光电源、其他特种电源。
特种电源即特殊种类的电源。所谓特殊主要是由于衡量电源的技术指标要求不同于常用的电源，其主要是输出电压特别高，输出电流特别大，或者对稳定度、动态响应及纹波要求特别高，或者要求电源输出的电压或电流是脉冲或其它一些要求。

4、隔离电源与非隔离电源

  在给嵌入式系统设计电源电路，或选用成品电源模块时，要考虑的重要问题之一就是用隔离还是非隔离的电源方案。在进行讨论之前，我们先了解下隔离与非隔离的概念，及两者的主要特点。
电源隔离与非隔离的概念
  电源的隔离与非隔离，主要是针对开关电源而言，业内比较通用的看法是：

隔离电源
  电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路。

非隔离电源
  输入和输出之间有直接的电流回路，例如，输入和输出之间是共地的。

隔离电源示意图如图所示。

隔离电源与非隔离电源的优缺点

  由上述概念可知，对于常用的电源拓扑而言，非隔离电源主要有：Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔离电源主要有各种带隔离变压器的反激、正激、半桥、LLC等拓扑。

  结合常用的隔离与非隔离电源，我们从直观上就可得出它们的一些优缺点，两者的优缺点几乎是相反的。

  使用隔离或非隔离的电源，需了解实际项目对电源的需求是怎样的，但在此之前，可了解下隔离和非隔离电源的主要差别：

1. 隔离模块的可靠性高，但成本高，效率差点。
2. 非隔离模块的结构很简单，成本低，效率高，安全性能差。

因此，在如下几个场合，建议用隔离电源：

1. 涉及可能触电的场合，如从电网取电，转成低压直流的场合，需用隔离的AC-DC电源；
2. 串行通信总线通过RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)等物理网络传送数据，这些相互连接的系统每个都配备有自己的电源，而且各系统之间往往间隔较远，因此，我们通常需要隔离电源进行电气隔离来确保系统的物理安全，且通过隔离切断接地回路，来保护系统免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真；
3. 对外的I/O端口，为保证系统的可靠运行，也建议对I/O端口做电源隔离。

隔离与非隔离电源的应用场合

  通过了解隔离与非隔离电源的优缺点可知，它们各有优势，对于一些常用的嵌入式供电选择，我们已可做成准确的判断：

1. 系统前级的电源，为提高抗干扰性能，保证可靠性，一般用隔离电源。
2. 电路板内的IC或部分电路供电，从性价比和体积出发，优先选用非隔离的方案。
3. 对安全有要求的场合，如需接市电的AC-DC，或医疗用的电源，为保证人身的安全，必须用隔离电源，有些场合还必须用加强隔离的电源。
4. 对于远程工业通信的供电，为有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响，一般用隔离电源为每个通信节点单独供电。
5. 对于采用电池供电，对续航力要求严苛的场合，采用非隔离供电。

隔离电源与非隔离电源优缺点

5、PWM 和PFM

①脉冲宽度调制(PWM)

  脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

②脉冲频率调制(PFM)

  脉冲频率调制(PFM)调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM。

③脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)

  每种类型的性能特征是不一样的：
    1、 重负载和轻负载时的效率
    2、负载调节
    3、设计复杂性
    4、EMI / 噪声考虑

集成型转换器解决方案可整合这两种操作模式以利用它们各自的优势：

  ①PWM是频率的宽和窄的变化,PFM是频率的有和无的变化。

  ②PWM是利用脉冲宽度控制输出,PFM是利用脉冲的有无控制输出。

  ③PWM-PFM兼有PWM和PFM的优点。

开关电源控制技术特点及比较：

  DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定电压相同的输出电压。

1. PFM控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。但当输出电压下降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。
2. PWM控制也是与频率同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽量减少流入线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。
3. PWM/PFM切换控制DC/DC变换器在重负荷时由PWM控制，低负荷时自动切换到PFM控制，即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。在备有待机模式的系统中，采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。
4. 与PWM相比，PFM的输出电流小，因为PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。因此，消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。
5. PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。

PWM：

PFM：

电源纹波 PWM VS PFM

开关电源控制技术优缺点

PFM相比较PWM主要优点在于效率：

1. 对于外围电路一样的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM与PWM相当。但在峰值效率以前,PFM的效率远远高于PWM的效率,这是PFM的主要优势。
2. PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，PFM具有较快的响应速度。

PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难：

1. 滤波困难（谐波频谱太宽）。
2. 峰值效率以前,PFM的频率低于PWM的频率,会造成输出纹波比PWM偏大。
3. PFM控制相比PWM控制 IC 价格要贵。
4. PWM控制方法实现起来容易，PFM控制方法实现起来不太容易。

6、电荷泵

  电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。

  主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器。

  电荷泵(开关电容)IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行DC/DC电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。C1(充电电容)传输电荷，而C2(充电电容器)则储存电荷并过滤输出电压。

  额外的“快速电容”和开关阵列带来多种好处。

  电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器将输入电压转变成一个负输出。作为分路器使用时，输出电压是输出电压的一部分，例如1/2或2/3。作为增压器时，它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。因此当在2X模式下运行时，电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。

  基本电荷泵缺少调整电路，因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。线性调整的输出噪音最低，并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管，控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率，并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电流。

  电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是，仍然有一个可能的微小噪音源，那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时，流向它的高充电电流。同样的，“分路器”电荷泵也能在LDO上改进效率，但又不会像感应降压调整器那样复杂。

7、正激 与 反激

  反激式：反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源。“反激”指的是在开关管接通的情况下，当输入为高电平时输出线路中串联的电感为放电状态；相反，在开关管断开的情况下，当输入为高电平时输出线路中的串联的电感为充电状态。


工作原理：

  变压器的一次和二次绕组的极性相反，这大概也是Flyback名字的由来：

1. 当开关管导通时，变压器原边电感电流开始上升，此时由于次级同名端的关系，输出二极管截止，变压器储存能量，负载由输出电容提供能量。

2. 当开关管截止时，变压器原边电感感应电压反向，此时输出二极管导通，变压器中的能量经由输出二极管向负载供电，同时对电容充电，补充刚刚损失的能量。

反激电路的演变：
可以看作是隔离的Buck/Boost电路:

  在反激电路中，输出变压器T除了实现电隔离和电压匹配之外，还有储存能量的作用，前者是变压器的属性，后者是电感的属性，因此有人称其为电感变压器，有时我也叫他异步电感。

正激电源

  正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。

  所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。

单端正激式：

双管正激式：

  由上三张图可知，反激的变压器可以看作一个带变压功能的电感，是一个buck-boost电路。正激的变压器是只有变压功能，整体可以看成一个带变压器的buck电路。二次侧接第一个整流二极管的负端接电解电容的是反击，接电感的是正激。

  总地来说，正激反激工作原理不同，正激是初级工作次级也工作，次级不工作有续流电感续流，一般是CCM模式。功率因数一般不高，而且输入输出和变比占空比成比例。反激是初级工作，次级不工作，两边独立开来,一般DCM模式下，理论上是单位功率因数，但是变压器的电感会比较小，而且需要加气隙,所以一般适合中小功率情况.一般的电源书都会有具体的介绍和设计公式。

  正激变压器是理想的，不储能，但是由于励磁电感（Lp）是有限值，励磁电流使得磁芯B会大，为避免磁通饱和，变压需要辅助绕组进行磁通复位；反激变压器工作形式可以看做耦合电感;电感先储能，再放能。由于反激变压器的输入、输出电压极性相反，固当开关管断开之后，次级可以提供磁芯一个复位电压，因而反激变压器不需额外增加磁通复位绕组。

主要区别

  正激反激主要区别在高频变压器的工作方式不同但他们在同一象限上。正激是当变压器原边开关管导通时同时能量被传递到负载上，当开关管截止时变压器的能量要通过磁复位电路去磁。反激是和正激相反，当原边开关管导通时给变压器存储能量。但能量不会加在负载上，当开关管截止时，变压器的能量释放到负载侧。正激开关电源，后面多的那个二级管是续流二级管，一般输出部分还会多加一个储能电感，正激和反激最重要的区别是变压器初次级的相位是反相的。

最大区别

  正激与反激的工作最大区别是，当开关管关断时，正激的输出主要靠储能电感和续流二级管来维持输出，而反激的输出主要靠变压器次级释放能量来维持输出。正激电路不宜做多路输出，正激电路要用脉宽调整做稳压必须在次极整流以后串电感，不然输出电压主要由输入决定，与脉宽影响不大，脉宽只影响输出纹波。如用正激电路做多路输出原理上存在的问题：如每路输出不用电感，那么对输入变化没有稳压作用，且没有开关电源应有的安全性。如果每路加电感：那么输出电压在理论上与负载大小有关，不参与反馈的回路就不正。

  反激电路在原理上就适合多路输出稳压。反激电路首先储能，后把能量按各路的电压比率供应给每一路，先可以认为每路的输出比例是不变的（实际有误差看下面），按电流谁需要多给谁多的原则分配。

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