電子設(shè)備的電源系統(tǒng)與管理課件

1、電子設(shè)備的電源系統(tǒng)與管理PowerAnts電源工作室電子設(shè)備的定義根據(jù)控制對(duì)象的不同，需要依靠電能才能工作的設(shè)備有兩大類：電子設(shè)備：處理的信號(hào)對(duì)象是弱電范圍，如手機(jī)、MP3、電視機(jī)、打印機(jī)、電腦等；電氣設(shè)備：處理的信號(hào)對(duì)象是強(qiáng)電范圍，如發(fā)電機(jī)、大型電機(jī)、電梯、起重機(jī)、電力變壓器、變頻器、電力調(diào)節(jié)器及控制器等.電源的多樣性電池供電交流供電太陽能供電無線供電信號(hào)線饋電單火線取電其它電源電池供電電池的種類及特點(diǎn)電池的重要參數(shù)如何選擇適合的電池電池的充放電管理電池的種類及特點(diǎn)電池的分類：按外形分： 圓柱形，如常見1號(hào)/2號(hào)/5號(hào)(AA)/7號(hào)電池(AAA) 紐扣形，如電子表、電腦主板里的紐扣電池 方形

2、，如萬用表、玩具里的9V疊層電池 薄片形，如口香糖電池、太陽能電池板按可否充電區(qū)分： 一次電池，無法充電重復(fù)使用，電力耗盡后即報(bào)廢，如碳鋅電池、堿性電池、水銀電池、一次性鋰離子電池。 二次電池，電力耗盡后可充電重復(fù)使用，如鎳鎘充電電池、鎳氫充電電池、鋰充電電池、鉛酸電池。各種電池的特點(diǎn)鋅錳干電池：中性電解質(zhì)，放電電壓不夠平穩(wěn)，容量受放電率影響較大，適用于中小放電率或間歇放電場(chǎng)合。堿性鋅錳電池：堿性電解質(zhì)，容量大，電壓平穩(wěn)，可以大電流連續(xù)放電。鋅汞電池：電壓平穩(wěn)，但是低溫性能差，且汞有毒。鋅空氣電池：分堿性中性兩個(gè)系列，結(jié)構(gòu)上又分濕式和干式兩種；濕式電池只有堿性一種，多制成大容量固定型電池；中性

3、干式電池只能在小電流下工作；堿性干式電池比能量大，可大電流放電；空氣干式電池受環(huán)境濕度影響大，使用周期短，可靠性差。鋰電池：單體電池電壓高，比能量大，存儲(chǔ)壽命長，高低溫性能好，但是價(jià)格昂貴，安全問題尚未完善。鉛蓄電池：適用性好，但是比能量低。鎘鎳蓄電池：有開口式、密封式和全密封式三種；可以高倍率放電，循環(huán)壽命長，但是充電效率低。鋅銀蓄電池：比能量高，性能良好，分高、中、低倍率三種，適用于特殊場(chǎng)合，但壽命短，價(jià)格昂貴。電池的重要參數(shù)額定容量：規(guī)定條件下電池能放出的最低容量，單位是安培小時(shí)，以符號(hào)C表示。容量受放電率影響較大，所以一般C的下腳標(biāo)標(biāo)明放電率，如C20=50,即20時(shí)率下容量為50安時(shí)

4、。額定電壓：常溫下典型工作電壓，又稱標(biāo)稱電壓。電池的實(shí)際電壓隨不同使用條件而異。充放電速率：有時(shí)率和倍率兩種表示方法。時(shí)率=額定容量/充放電電流 倍率=1/時(shí)率阻抗：等效模型，大電容+小電阻+小電感，阻抗隨時(shí)間和直流電平不同而變化，所測(cè)得的阻抗只對(duì)具體測(cè)量狀態(tài)有效。壽命：儲(chǔ)存期+使用期=有效期。自放電率：存放過程中電池電容量自我損失的速率。用單位時(shí)間內(nèi)自放電損失容量占儲(chǔ)存前容量的百分?jǐn)?shù)表示。如何選擇適合的電池根據(jù)容量選取: C=1.2*I*H 根據(jù)設(shè)備的空間選取要據(jù)設(shè)備的功率選取電池性價(jià)比電池的充放電管理充電截止電壓放電截止電壓充電電流充滿檢測(cè)方法 溫度補(bǔ)償恒壓充電恒流恒壓充電：先恒流后恒壓。

5、脈沖充電：一般采用充與放的方法，即充5s就放1s涓流充電：彌補(bǔ)電池充滿電后因自放電而造成的容量損失。浮充方式大電流快速充電交流供電工頻變壓器降壓整流RC降壓整流開關(guān)電源工頻變壓器降壓整流降壓變壓器隔離作用降壓作用Uo=Ui*N2/N1(N2：次級(jí)匝數(shù)；N1：初級(jí)匝數(shù))半波整流整流 用工頻變壓器獲得低壓交流電，再整流濾波即可得到直流輸出。 半波整流 紋波較大、變壓器利用率低 有直流磁化偏磁現(xiàn)象，適合小電流輸出 電容取值：C=60000100000/R全波整流 變壓器利用率中等(次級(jí)兩個(gè)繞組分別只有半個(gè)周期可利用) 次級(jí)需要對(duì)稱繞組 有一定直流偏磁 適合大電流輸出 開路輸出電壓為變壓器單繞組電壓的

6、1.4倍 帶載輸出電壓為變壓器單繞組電壓的1.2倍 電容取值(uF)：C=3000050000/R橋式整流變壓器次級(jí)只需一個(gè)繞組，利用率高 適合大電流輸出 開路輸出電壓為變壓器單繞組電壓的1.4倍 帶載輸出電壓為變壓器單繞組電壓的1.2倍 電容取值(uF)：C=3000050000/R倍壓整流優(yōu)點(diǎn)：簡單，可靠。無高頻干擾。 缺點(diǎn)：需要使用工頻變壓器，笨重，體積大，效率低RC降壓整流RC降壓整流 利用電容在工頻交流電壓作用下的充放電流獲得電流輸出，在負(fù)載上得到一定的壓降。其輸出具有電流源特性，輸出電壓隨負(fù)載阻抗的升高而升高，不允許開路，否則將擊穿輸出濾流電容，需要在輸出端配合并聯(lián)型穩(wěn)壓電路才能工

7、作。根據(jù)負(fù)載電流選取無極性高耐壓C而非電壓或功率適合小功率、穩(wěn)定、阻性負(fù)載 RC降壓半波整流 交流電的負(fù)半周，市電通過D2為C1反向充電，達(dá)到負(fù)的最大值；正半周開始后，C通過D1向C2放電，同時(shí)輸出電流，端電壓由DZ進(jìn)行鉗位，一定時(shí)間后C1的電荷放完，開始正向充電，由電荷守恒定律可知，輸出端得到的電荷量最多等于C1的充電電荷量，即輸出電流 Io=50*(2Vp-Vdz)*C1 如，限流電容1uF 輸出電壓12V 在220V交流電壓下 輸出電流約為30.5mA R1是C1的泄放電阻，要求承受高電壓，一般取1/2W以上金屬膜電阻，根據(jù)安規(guī)要求，電源插頭在拔下一秒內(nèi)，插頭兩端的電壓要降到安全電壓36

8、V以下，而電網(wǎng)波動(dòng)情況下，電容上的電壓可達(dá)市電峰值的1.2倍，因此要求R1*C1的時(shí)間常數(shù)要小于0.4秒R2是限流電阻，防止在電壓峰值處上電，或在C1充電到峰值處線路接觸不良，恬好在電壓負(fù)峰時(shí)接通時(shí)的浪涌電流擊壞整流二極管，如選用1N4007，其浪涌電流為30A，則限流電阻不得低于22R，因?yàn)樗枰瑫r(shí)承受高電壓和大電流的，要求具有一定的熱容量，空間允許的情況下，可選12W的金屬膜電阻，最好選用水泥電阻。D1-D2是整流二極管，一般選取用1N4007即可。C2是濾波電容，取值為C=35t/R t為脈沖周期, 0.02秒RC降壓橋式整流電路 輸出電流 Io= =50*(2Vp-Vdz)*C1 C

9、2濾波電容取值為C=35t/R t為脈沖周期, 0.01秒 其余器件參數(shù)及要求與前頁半波相同太陽能供電太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、最大功率跟蹤電路、蓄電池及充放電管理電路組成?？芍苯幼鳛橹绷鬏敵觯部梢愿鶕?jù)需要通過逆變器輸出交流220V或110V。太陽能供電受日照條件影響，輸出不穩(wěn)定，必須日光照射才有可用的輸出，在沒有陽光的情況下，輸出電流十分微弱，因此使用太陽能供電時(shí)，必需配合蓄電池才能穩(wěn)定供電。無線供電電磁耦合：變壓器就是個(gè)例子，把變壓器兩個(gè)繞組分開，利用磁場(chǎng)耦合也具有一定的互感，形成短距離的無線供電，一般可達(dá)到幾厘米到幾十厘米。光電耦合：電能光能電能超聲波耦合：電能 超聲波電能近距離、

10、效率偏低信號(hào)線饋電在傳輸非直流信號(hào)的信號(hào)線上傳輸電能，在發(fā)送端和接收端分別用阻波器和耦合電容進(jìn)行信號(hào)的疊加與分離。應(yīng)用案例：有線電話機(jī)、電視機(jī)室外天線放大器，及其它需要遠(yuǎn)程供電的電子設(shè)備。單火線取電所謂單火線取電其實(shí)是指不直接用零線，而是取電裝置與負(fù)載是串聯(lián)接到火線與零線上去，取電裝置靠關(guān)斷時(shí)流過負(fù)載的弱電流來取電。火線-開關(guān)-負(fù)載-零線 單火線成品模塊電源: 21ic模擬版片主 Awey QQ:564687561 其它供電設(shè)備超級(jí)電容 超級(jí)電容是以雙電層結(jié)構(gòu)為儲(chǔ)能體的電容器，能量密度只有蓄電池的1/201/10，但充放電壽命是蓄電池的100倍以上，適合于長期頻繁充放電的應(yīng)用，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電壓

11、變換線性穩(wěn)壓 并聯(lián)型 串聯(lián)型斬波降壓 Buck 直流升壓 Boost極性反轉(zhuǎn) Buck-boost多路輸出 多路DC-DC并聯(lián)型線性穩(wěn)壓并聯(lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)節(jié)器件與負(fù)載并聯(lián) 適合于駁接在恒流源、或內(nèi)阻比較高電源后端作穩(wěn)壓。 如電流互感器整流的穩(wěn)壓輸出，以及RC降壓整流的輸壓輸出串聯(lián)型性線穩(wěn)壓串聯(lián)穩(wěn)壓電路的調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián) 適合于駁接在電壓源、及內(nèi)阻很小的電源后端三端穩(wěn)壓器件線性穩(wěn)壓：是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源 。 特點(diǎn)：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低；發(fā)熱量大，間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。 三端穩(wěn)壓器件應(yīng)用LM78XX可靠性設(shè)計(jì) 最小壓差:

12、2.5V 熱設(shè)計(jì) 退耦電容LDO 選用原則 最小壓差 低輸入輸出壓差條件下替代DC-DCBUCK 斬波降壓型 輸出電壓一定小于輸入電壓 連續(xù)模式：Vout=D*Vin ACT4060、AE1501、AOZ1014、AP1509、AP1512、AP1602、APS1006、L4960、L4971、LM2576、LM2676、LTC3703、LTC3810、XC9213、ZA3020、MC34063等 VinVoDLIoSBoost 升壓型 輸出電壓一定大于輸入電壓 連續(xù)模式：Vout=Vin*/(1-D) AN8101、CE8301、EM1308、NCP1402、TR9266、CX6371、MC

13、34063等VinVoLIoSDBuck-boost 極性反轉(zhuǎn)型輸出為負(fù)電壓 Vout=-Vin*D/(1-D) 輸出電壓絕對(duì)值可大于輸入電壓，也可小于輸入電壓，則占空比決定。 LTC3780、XC9504、MC34063等 Buck-boost是最基本的拓樸，前面的Buck及Boost都是建立在Buck-boost上VinVoDLIoS1DS2反激變換器優(yōu)點(diǎn)：電路簡單。輸入電壓范圍廣。 容易實(shí)現(xiàn)多路輸出。缺點(diǎn)：輸出紋波電流大。輸出控制特性非線性。通常需要輔助的吸收回路。轉(zhuǎn)換效率較低。VinVoSLmD正激變換器優(yōu)點(diǎn)：電路簡單。線性輸出控制特性。不需要輔助的吸收回路。缺點(diǎn)：原邊開管電壓應(yīng)力較高

14、。諧振電容的損耗大。寬范圍輸入效率很難兼顧。其它變換器半橋變換器全橋變換器LLC變換器Speic變換器Zeta變換器多路輸入電源的切換箝位輸入間二極管各輸入串聯(lián)繼電器各輸入串MOS管高效率變換高效率功率變換：節(jié)能、減小發(fā)熱、增加電池使用時(shí)間針對(duì)開關(guān)損耗，最有效的方法是軟開關(guān)技術(shù)或零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)技術(shù) 。無源無損耗緩沖電路 。功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步 。可靠性要求合理選擇電路拓?fù)淇刂撇呗缘倪x擇功率器件降額使用保護(hù)電路：過壓、欠壓、過載、短路、過熱、防浪涌、防雷擊等。熱設(shè)計(jì)。安規(guī)。電磁兼容 EMC=EMI+EMSEMI 包括傳導(dǎo)干擾與輻射干擾 電位發(fā)生瞬變的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生電場(chǎng)輻射 電流產(chǎn)生瞬變的電流路徑產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射EMS 電磁敏感度傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的機(jī)理電路中傳導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理傳導(dǎo)噪聲由共模和差模組成某個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位發(fā)生瞬變時(shí)（如快速切換的開關(guān)管），會(huì)通過導(dǎo)線向外傳播這一變化，形成傳導(dǎo)噪聲差模噪聲及其抑制差模噪聲主要由開關(guān)電流的高次諧波產(chǎn)生，由供電線路及負(fù)載構(gòu)成回路，由于輸入輸出濾波電容的ESR及ESL均不可能為零，故而會(huì)向供電線路及負(fù)載上產(chǎn)生一定的分流，形成差模干擾差模噪聲的特點(diǎn) 兩條導(dǎo)線上的差噪聲大小相等，方向相反在回路上串差模電感，可抑制差模 電流大小。差模電感可用低導(dǎo)磁環(huán) 電感，也可用工字型功率電感共模噪聲及其抑制共模噪聲 共模噪聲通過產(chǎn)生噪聲的節(jié)點(diǎn)對(duì)大地的分布電容