如何为嵌入式系统选择实用的电源管理技术?

姓名：仝启龙   学号：17101223413

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【嵌牛导读】

电源管理是永远不会过时的话题，尤其在物联网时代，低功耗需求更加迫切，工程师们也在不断寻求降低功耗的方案。各种移动终端、可穿戴设备、消费类电子产品、传感器网络节点等典型嵌入式设备对能耗越来越敏感，电源管理技术正成为这些产品设计的关键所在。电源管理技术正由传统的基于电源管理器件和外设控制为主的静态控制方式，转为以具备智能电源管理功能的嵌入式微处理器结合操作系统为核心的智能管理软件的动静态结合的综合控制模式。

【嵌牛鼻子】隔离，性能和成本，功率余量，隔离电压

【嵌牛提问】隔离还是非隔离?性能优先还是成本先行?功率余量留多少? 10%、20%还是30%?隔离电压是否越大越好?

【嵌牛正文】

嵌入式工程师在日常电路设计中可以从以下角度考虑电源模块。

① 隔离还是非隔离?

从隔离的目的来说，可以将隔离分为安全隔离和噪声隔离两大类。由于嵌入式系统的应用广泛，在硬件设计中，经常会遇到多电压供电、数模混合、高速低速信号同板等复杂的情况，处理稍有不慎，就会引入干扰，轻则降低产品性能，重则干扰通信甚至引起系统重启、瘫痪等。此时，隔离就显得尤为重要，在嵌入式系统的设计中，一般都会选择使用隔离电源模块对PCB不同区块进行隔离供电，最大限度上减少噪声干扰，提高系统稳定性。

另外，在含有工业总线的嵌入式系统中，常常会面临浪涌、电弧干扰、雷击等恶劣环境，因此需要将总线部分和嵌入式系统部分进行安全隔离。隔离不仅能消除接地环路的干扰，还能阻隔外界恶劣环境因素影响通过总线进入核心系统，保证核心系统安全。

② 性能优先还是成本先行?

性能和成本，让多少工程师面临两难的选择，多少辛辛苦苦做的方案，由于成本问题不得不放弃。是为了性能不顾成本? 还是为了成本牺牲性能? 怎样平衡性能和成本，这是在产品设计中亘古不变的话题。对于同样输入/输出电压的DC/DC 电源模块来说，输出功率和工作温度范围是影响其成本的主要因素。电子器件工作温度范围一般分为:商业级(0~70 ℃)、工业级(-40~85℃)、车规级(-40~105℃)、军品级(-55~125℃)等。由于温度等级不同，对材料和制造工艺的要求不同，模块成本就相差很大了。

如果在体积(封装形式)一定的条件下实际使用功率已经接近模块额定功率，那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际使用需求甚至略有余量。如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品，实际使用温度已经逼近模块极限温度的情况，怎么办呢? 这时可以采用降额使用的办法，即选择功率或封装更大一些的产品，这样“大马拉小车”，温升低，能够从一定程度上缓解这一矛盾。

总之要么选择宽温度范围的产品，功率利用更充分，封装也更小一些，但价格较高;要么选择一般温度范围产品，价格低一些，功率余量和封装形式就得大一些。

③ 功率余量留多少? 10%、20%还是30%?

设计余量一个让人又爱又恨的指标。余量设计的本质是预防意外，它虽然与品质无关，但余量设计不足会存在质量问题的隐患，余量设计过大又会造成成本的升高。由于嵌入式系统应用的广泛性，负载也具有多样性，有的是阻性负载，有的是感性或容性负载，有的负载较稳定，有的负载波动较大，有的甚至还会有空载、或满载、或瞬间负载变大、或瞬间负载跌落的情况发生，这给确定电源模块的功率等级造成一定的难度。

一般情况下，负载电流的大小是决定功率的关键因素，考虑到嵌入式系统设计的稳定性和抗意外能力，建议根据实际情况，最小预留20%的设计余量，即实际使用中最大功率不超过电源模块额定功率的80%，在这个功率范围内电源模块各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。

对于波动较大的负载，设计应当满足峰值电流不超过电源模块最大承受范围的基本原则，再根据负载波动的频率适当地加大设计余量，尽量提高可靠性。

④ 隔离电压是否越大越好?

隔离电压是隔离型DC/DC电源模块的一个重要指标，隔离电压等级越高，电源模块内部的保护器件和设计工艺要求就越高，从根本上讲，就是成本越高。那么怎样选择合适的隔离电压呢?

电源模块的隔离电压需要根据应用场合来选择。一般场合使用对电源模块隔离电压要求不是很高，但是更高的隔离电压可以保证模块电源具有更小的漏电流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，加之嵌入式系统核心器件集成度高，封装小，相对比较脆弱，因此一般业界普遍的隔离电压水平为1500VDC或以上。但在一些特殊的行业，比如医疗、户外通信基站、高压电力等，对电源模块的隔离度要求则更高。