1.1 電源系統(tǒng)概述

這里講述的電源是指一種電能轉(zhuǎn)換裝置。我們常見(jiàn)電源家族如圖1.1所示，不同顏色連接線代表不同形式的電能，它們之間存在電能之間的轉(zhuǎn)換，而實(shí)現(xiàn)這種電能轉(zhuǎn)換的裝置就是電源。

圖1 常見(jiàn)小功率電源家族一覽圖

從圖1.1中可以看出，電池和市電一般不能直接給電子系統(tǒng)供電，使用時(shí)需要先將電能轉(zhuǎn)換到Power 1線路中，以提供給其它模塊使用。其中電池可以通過(guò)升壓或者降壓的DC-DC電源來(lái)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，市電則可通過(guò)AC-DC電源進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換。在對(duì)電源要求不高的場(chǎng)合，如充電器、LED驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中，Power 1可以直接提供電能

在過(guò)去，AC-DC電源經(jīng)常使用一個(gè)工頻變壓器降壓，然后通過(guò)整流濾波電路的線性電源獲得Power 1，這樣的電源體積大，而且效率不高，隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展和推廣，這種線性電源逐漸被開(kāi)關(guān)電源代替，并得到廣泛應(yīng)用。許多公司陸續(xù)推出高性能的AC-DC電源芯片，如安森美(ON)推出的NCP1075，不僅效率高、靜態(tài)功耗小，而且外圍器件非常少、電路簡(jiǎn)單，如圖2所示，即便是菜鳥(niǎo)，也能很快上手，大大減少了電源開(kāi)發(fā)難度和縮短了開(kāi)發(fā)周期，非常有利于開(kāi)關(guān)電源的推廣。

圖2 NCP1075應(yīng)用電路圖

高效率準(zhǔn)諧振(QR)和高功率因數(shù)單級(jí)PFC反激電源也得到了快速發(fā)展，可能很快成為AC-DC電源主流，代表IC如安森美(ON)推出的NCP1380和NCP1247。

在運(yùn)算放大器、傳感器、MCU和基準(zhǔn)源等應(yīng)用中，它們對(duì)電源的紋波噪聲和電壓精度要求比較高，那么Power 1還需要經(jīng)過(guò)線性電源轉(zhuǎn)換到Power 4線路中，才能給其系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)的線性電源一般采用NPN機(jī)構(gòu)作為功率管，或者用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)功率管，如圖3所示，LM7805和LM317等，都是這種結(jié)構(gòu)。這類電源的特點(diǎn)是要求輸入電壓比輸出電壓高1.5V以上，如果輸入輸出壓差比較小，這種穩(wěn)壓方式就不能滿足要求了。

圖3 使用NPN作為功率管

為了解決低壓差問(wèn)題，以PNP作為功率管的新品種——LDO應(yīng)運(yùn)而生。因?yàn)槭褂肞NP作為功率管，如圖4所示，所以輸入輸出的壓差可以很低，如美國(guó)的MPS公司的MP20049，輸入輸出壓差可以小到50mV，非常適用于低壓差的場(chǎng)合。

圖4 使用PNP做功率管

線性電源已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品對(duì)電源功率要求越來(lái)越大，那么線性電源就有些力不從心了。原因在于線性電源效率一般在60%以下，比較低，如果耗散功率大，還需要加散熱片，致使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電子產(chǎn)品高集成化和高能效要求。就在這個(gè)時(shí)候，高性能的DC-DC開(kāi)關(guān)電源便逐漸受到廣大工程師的青睞。

早期的DC-DC開(kāi)關(guān)電源因其存在固有的開(kāi)關(guān)噪聲給許多工程師留下了不好的影響，正因如此，在選擇電源的時(shí)候，很多人會(huì)首先考慮線性電源。然而，現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，DC-DC開(kāi)關(guān)電源在性能上也取得了驚人的發(fā)展。尤其是美國(guó)的MPS公司，通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝和技術(shù)創(chuàng)新，推出各種應(yīng)用場(chǎng)合的高品質(zhì)電源IC，已經(jīng)廣泛用到智能手機(jī)、筆記本電腦、汽車和工業(yè)控制等行業(yè)。MPS最近推出的MP2161GJ電源方案，如圖5所示，不僅電路簡(jiǎn)單，而且性能優(yōu)越，紋波噪聲可以小到20mV以下，頻率可以到1.5MHz，輸出電流到達(dá)2A，體積非常小，可以完美取代線性電源，成為高集成電源的理想方案。這正是將Power 1電能轉(zhuǎn)換成Power 3電能的裝置——高性能DC-DC開(kāi)關(guān)電源。

圖5 MP2161GJ應(yīng)用電路

除了上述電源以外，在一些分布式供電系統(tǒng)和工控電源系統(tǒng)應(yīng)用中，如圖1.1右側(cè)部分，它們需要消除共模干擾、浪涌沖擊和實(shí)現(xiàn)安全隔離，電源隔離是必要的，所以就形成了Power 1電能換成Power 2電能的DC-DC隔離電源產(chǎn)業(yè)。然而隔離電源的設(shè)計(jì)難度大，制作工藝要求高，很難通過(guò)自行設(shè)計(jì)并做出理想的產(chǎn)品，因此，隔離電源模塊化成為必然發(fā)展方向。一些公司如廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司將隔離電源設(shè)計(jì)成模塊,如圖6所示，它們只有輸入和輸出端子，不需要加任何外圍器件就可以直接使用，有效提高了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

圖6 隔離電源模塊

電源產(chǎn)品日新月異，只有充分了解各種電源，才能在電源應(yīng)用中選擇最合適的方案。