iboard電子學(xué)堂 第一課整理稿-

1、第一課:嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計王紫豪(15959622 20:35:57電子系統(tǒng)設(shè)計中,電源系統(tǒng),往往會被工程師忽略。大家都注重,用什么 CPU,性能多強多強,其實電源系統(tǒng)的設(shè)計,是一切系統(tǒng)可靠運行的根本,優(yōu)良的電源設(shè)計,能減少很多不必要的麻煩。這里我要說一下,本課程是面向基礎(chǔ)的,不做深入討論;水平比較高的網(wǎng)友,不要介意。本科所涉及到的電源,主要是低壓電源系統(tǒng),也是 DC,也就是直流電。關(guān)于市電的轉(zhuǎn)換,不在本課程范圍內(nèi)。首先說一下常用的電源都是多少電壓的。比較常用的正電源,為5V / 12V / 24V / 3.3V ; 如果涉及到模擬電路,則正負電源亦很常用。如正負5V, + /- 12V ,

2、+ /- 15V 。像 1.2V, 2.5V,1.8V,6V,9V 有的時候也用到,并沒有絕對的限制。每個系統(tǒng),根據(jù)不同的特性,一般都涉及到一組到多組電源。但是供電入口一般都比較單一,我們用開發(fā)板子,大家都看到, 像這樣的居多,一般都是 5V、9V 或者 12V的居多。還有 7.5V,6V的也有,實際上,這樣的電源模塊,工業(yè)上用的也是比較多,他一般是輸入 220v/110v交流,然后輸出一組或者多組電源。功率較大,一般都是幾十瓦到上百瓦 下面就涉及到一個比較現(xiàn)實的問題,我們怎么通過一路電源輸入,變換到我們想要的其他電源呢?從原理上講,有兩種方法:第一種:線性電壓變換器,也就是線性電源,第二種,

3、是開關(guān)型電壓變換器,也就是俗稱的開關(guān)電源。從名字就能看出,線性電源和開關(guān)電源的區(qū)別。線性電源,是通過線性的方法,完成電壓變換的,我們也可以說成“平穩(wěn)”過度的;開關(guān)電源,是通過開和“關(guān)”這兩種狀態(tài),對儲能元件進行充電、放電的原理,完成電源的變換。這里說一下,我們所說的儲能元件,是指電感和電容,電阻不能儲能,他消耗能量。我們就從實際出發(fā),來舉個例子:假如我們輸入 12V,需要 5V輸出,我們腫么辦呢?一般 5V給 8051單片機供電,我們就做這個最小系統(tǒng),電源該如何設(shè)計呢?第一種方法:采用線性電源的方法,也就是平常用的 7805 這類的方式,學(xué)校里,老師教的也比較多,當(dāng)然,線性電源芯片有很多種,7

4、805算是最常用的一個。線性電源有個特點,這個很關(guān)鍵。就是輸入電流基本上 = 輸出電流。如果系統(tǒng)需要 500mA的電流,則,我們的輸入功率為 12V*0.5A = 6W;單片機及系統(tǒng)消耗的功率為5V * 0.5A = 2.5W也就是我們系統(tǒng)僅僅需要 2.5W的功率,我們卻消耗了 6W,其余的 3.5W去哪了呢?答案就是:被消耗到 7805上了,所以,這個系統(tǒng) 7805 會非常燙。所以,12V 輸入,5V 輸出,500mA的負載電流,用線性電源,不是一個好的方案?？偨Y(jié)一下,線性電源的效率,近似等于輸出電壓/輸入電壓,也就是我們剛才舉例子的系統(tǒng),效率才 5/12,可以說,浪費了一大半。 這個時候,

5、我們就需要用 DC-DC 的模式,來完成電壓變換!采用最基本的 BUCK 電路。buck,是一種結(jié)構(gòu)。大家現(xiàn)在也不要糾結(jié)與具體的原理,就知道buck電路,是通過開關(guān)的模式,進行電源變換就可以了。他的優(yōu)點只有一個:效率高!他其實是通過不斷地把能量在電容、電感中來回變動,來達到電壓扁換的目的。說到這里,就說一下基本概念。 ldo 是low dropout regulator ,也就是低壓差線性穩(wěn)壓器,他是線性電源的一種,特點就是“低壓差”,這個壓差,是指輸入到輸出的壓差,也就是,輸入至少比輸出高 2V多,他才能工作。根據(jù)線性電源的效率公式,壓差越低,則效率越高。壓差越低,則效率越高。所以,市面上出

6、來了很多 LDO,目的就是提高效率,減小設(shè)計難度。我們常用的 1117,其實壓差也不小,大概在 1.2V左右?，F(xiàn)在市面上很多壓差做的很低,有的才幾百mV,如 SPX3819,好像是 2、300mV。 LDO 就說到這里,繼續(xù)說開關(guān)電源。剛才說到 BUCK 電路,我發(fā)一個電路圖,來說一下基本的buck結(jié)構(gòu)。 為了有好的收看效果,建議大家把聊天窗口最大化。這是一個最基本的 BUCK 電路,用的芯片是 AOZ1016。這個芯片很小, SO8 封裝,他卻具有 兩安培的輸出能力。這就得益于他的效率高。當(dāng)然,輸出電流和輸入電壓,都會影響到他的效率,但是波動不大,aoz1016 ,官方說的效率能達到 95%

7、。所以,我們剛才提出的,從 12V到 5V的變換,用這個芯片是最合理的。 對的,現(xiàn)實中,BUCK 芯片很多,如最常用的 LM2576 / LM 2596 等,是用的最多的。但是,這里要但是了。BUCK 也不是萬能的。他也有自己顯著的缺點:1、只能做降壓,也就是輸出不能比輸入高。2、由于是 DCDC,所以電路復(fù)雜(相對于線性電源大家都知道,7805加倆電容都好使了,這個電路則需要電容、電感、反饋回路、續(xù)流二極管這里的器件,哪一個工作不正常,都有可能燒電路,所以,初學(xué)者,一般都怕他。buck 就說到這里,具體buck的原理,網(wǎng)上多得是,大家可以找來看看,很簡單!下面就說說,我如果只能提供 3V,怎

8、么得到 5V呢例如,我手頭只有兩節(jié)干電池(串聯(lián)起來 3V,怎么得到 5V呢?buck電路很基本,大家找找看就是了。要說的話,說不完,或者等我的教程發(fā)布。這里就要用到另一個基本的概念 BOOST 它也是一種拓撲結(jié)構(gòu),常用于升壓。升壓,線性電路就無能為力了,只能靠 開關(guān)電源,boost 原理如圖所示: 他也是通過電感和電容的能量轉(zhuǎn)換,達到升壓的目的。具體工作方式,需要畫圖描述,我就不說了,這里大家記住,boost芯片能升壓,就可以了。常用的boost芯片也很多,TI / 國半,凌特等都有, 這些芯片,都是 boost芯片,國產(chǎn)的也有很多,特點是價格便宜,有的才幾毛錢。鋰電池供電的系統(tǒng),大多數(shù)都有

9、boost芯片。iBoard 系統(tǒng)中,液晶背光需要 20多V的供電電壓驅(qū)動,里面有 8個白光 LED,所以,也包含了 boost電路,如圖所示。 只是他是采集電流作為反饋端的。TFT_BL 通過 stm32的 PWM 輸出,來控制背光亮度。這就是boost電路。還有一種常用的情況,有的電路我們包含運放,需要正負供電,怎么辦呢?如示波器前端,波形發(fā)生器后端,都需要正負電源。這里我們可以通過四種方法:第一種:通過變壓器抽頭的模式。220V,經(jīng)過變壓器變壓,然后中間抽頭作為公共端,再通過 78xx、79xx 穩(wěn)壓,就得到了 + 、-電源。 網(wǎng)上找了個圖,大家遷就著看。這種模式,電壓器太大,都得大半斤

10、。一般用于儀器內(nèi)。但是好處也很多,噪聲小,隔離。等等第二種方法:購買成熟的模塊。 就像這樣的模塊,如金勝陽的,可以完成單電源向雙電源變換。也是隔離的,內(nèi)部結(jié)構(gòu),也是變壓器結(jié)構(gòu)。這種模塊,一般都得10塊錢以上,價格也不便宜,體積也大。但是很省事,加幾個電容就可以了第三種方法:buck-boost 翻轉(zhuǎn)電路它也是一種經(jīng)典的開關(guān)電源電路,通過 正輸入,可以得到負電源。iBoard 模擬部分采用 +-9V供電,其 -9V就是通過 翻轉(zhuǎn)電路出來的。這是原理圖。大家可以看出，buck、boost、buck-boost 等結(jié)構(gòu)，使用的期間都是一樣 的 只是組合模式不一樣，一般，都包括電感、電容、肖特基二極管

11、等。后面加了一 級 LC 濾波，是為了減小紋波。我測試了一下，不加 LC 的情況下 紋波達 到了 200mVpp 加上 LC 后，紋波減小到 20mVpp 以內(nèi)。 第四種方法： 采用電荷泵的模式。 電荷泵，也是一種電壓變換模式。 大家都知道 ，RS-232 協(xié)議中， 0 和 1 邏輯，分別是 正、負 n 伏 。我們平常，都是通過 MAX-232 等芯片做的變換。其實，max232 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 也是電荷泵。 電荷泵，組成部分包含了一個二極管，一個電容。他可以升壓，可以翻轉(zhuǎn)電壓 有一個芯片，叫 ICL7660，好像是，他其實就是利用開關(guān)電容的模式，吧正電壓，變 換 成 負電 壓 ，但是他也有他的局限

12、性 ，就是輸出能力太弱 。 我說說肖特基二極管這個名詞 ：肖特基，其實是一個人 ，肖特基二極管，使用它的名 字命名的。肖特基二極管最大的優(yōu)勢是 速度快和正向壓降低。對，這就是 7660 的電 路 他就是通過圖中 的 C2，來完成電壓轉(zhuǎn)換的缺點就是負載能力差， 大家看看肖特基二極管的特性曲線，壓降小很多，這里我說一下，二極管的壓降 不是固定不變的。一般地：電流越大，壓降越大。有壓降，他自然會消耗能量； 所以電流大的時候，肖特基二極管會燙的。 7660 的芯片結(jié)構(gòu)，大家仔細研究一下，其實也很簡單。 上面說了四種電壓翻轉(zhuǎn)的解決方案 。到這里，我們基本上講完了，直流電壓變換 器的所有過程，我說一下優(yōu)缺點： 線性電源優(yōu)點：1、噪聲小 2、電路簡單 線性電源缺點：1、只能降壓；2、效率低 開關(guān)電源優(yōu)點：效率高，動態(tài)性能好，缺點：會對系統(tǒng)引入噪聲 所以，用什么電路，還需要根據(jù)實際情況。如果電路是精密模擬電路，我們用線性電源 好；如果全是數(shù)字電路，并且電流很大，則，用 dcdc 模式好。我解釋一下開關(guān)噪聲 ：開關(guān) 電源工作過程， 其實是一個來回開、 關(guān)的過程 ， 也就是能量來回地， 從電感到電容的變換 。 大家都知道，方波的頻譜是最雜的