電子設(shè)備的電源系統(tǒng)與管理

1、電子設(shè)備的電源系統(tǒng)與管理第1頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四電子設(shè)備的定義根據(jù)控制對象的不同，需要依靠電能才能工作的設(shè)備有兩大類：電子設(shè)備：處理的信號對象是弱電范圍，如手機、MP3、電視機、打印機、電腦等；電氣設(shè)備：處理的信號對象是強電范圍，如發(fā)電機、大型電機、電梯、起重機、電力變壓器、變頻器、電力調(diào)節(jié)器及控制器等.第2頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四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線饋電單火線取電其它電源第3頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四電池供電電池的種類及特點電池的重要參數(shù)如何選擇適合的電池電

2、池的充放電管理第4頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四電池的種類及特點電池的分類：按外形分： 圓柱形，如常見1號/2號/5號(AA)/7號電池(AAA) 紐扣形，如電子表、電腦主板里的紐扣電池 方形，如萬用表、玩具里的9V疊層電池 薄片形，如口香糖電池、太陽能電池板第5頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四按可否充電區(qū)分： 一次電池，無法充電重復使用，電力耗盡后即報廢，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使用，如鎳鎘充電電池、鎳氫充電電池、鋰充電電池、鉛酸電池。第6頁，共48頁，2022年，5月20日，20

3、點26分，星期四各種電池的特點鋅錳干電池：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。第7頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四鋅空氣電池：分堿性中性兩個系列，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。第8頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四鋰電池：單體電池

4、電壓高，比能量大，存儲壽命長，高低溫性能好，但是價格昂貴，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，適用于特殊場合，但壽命短，價格昂貴。第9頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四電池的重要參數(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，以符號C表示。容量受放電率影響較大，所以一般C的下腳標標明放電率，如C20=50,即20時率下容量為50安時。額定電壓：常溫下典型工作電壓，又稱標稱電壓。電池的實際電壓隨不同使用

5、條件而異。充放電速率：有時率和倍率兩種表示方法。時率=額定容量/充放電電流 倍率=1/時率阻抗：等效模型，大電容+小電阻+小電感，阻抗隨時間和直流電平不同而變化，所測得的阻抗只對具體測量狀態(tài)有效。壽命：儲存期+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。用單位時間內(nèi)自放電損失容量占儲存前容量的百分數(shù)表示。第10頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四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比第11頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四電池的充放電管理充電截止電壓放電截止電壓充電電流

6、充滿檢測方法 溫度補償恒壓充電恒流恒壓充電：先恒流后恒壓。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第12頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四交流供電工頻變壓器降壓整流RC降壓整流開關(guān)電源第13頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四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：次級匝數(shù)；N1：初級匝數(shù))第14頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四半波整流整流 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

7、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第15頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四全波整流 變壓器利用率中等(次級兩個繞組分別只有半個周期可利用) 次級需要對稱繞組 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第16頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四橋式整流變壓器次級只需一個繞組，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

8、組電壓的1.2倍 電容取值(uF)：C=3000050000/R第17頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四倍壓整流優(yōu)點：簡單，可靠。無高頻干擾。 缺點：需要使用工頻變壓器，笨重，體積大，效率低第18頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四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)壓電路才能工作。根據(jù)負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、阻性負載 第19頁，共48頁

9、，2022年，5月20日，20點26分，星期四RC降壓半波整流 交流電的負半周，市電通過D2為C1反向充電，達到負的最大值；正半周開始后，C通過D1向C2放電，同時輸出電流，端電壓由DZ進行鉗位，一定時間后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 第20頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四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)

10、，插頭兩端的電壓要降到安全電壓36V以下，而電網(wǎng)波動情況下，電容上的電壓可達市電峰值的1.2倍，因此要求R1*C1的時間常數(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，恬好在電壓負峰時接通時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，因為它需要同時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秒第21頁，共48頁，2022年，5月20日

11、，20點26分，星期四RC降壓橋式整流電路 輸出電流 Io= =50*(2Vp-Vdz)*C1 C2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第22頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四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。可直接作為直流輸出，也可以根據(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，必需配合蓄電池才能穩(wěn)定供電。第23頁，共48頁，2022年，5

12、月20日，20點26分，星期四無線供電電磁耦合：變壓器就是個例子，把變壓器兩個繞組分開，利用磁場耦合也具有一定的互感，形成短距離的無線供電，一般可達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、效率偏低第24頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四信號線饋電在傳輸非直流信號的信號線上傳輸電能，在發(fā)送端和接收端分別用阻波器和耦合電容進行信號的疊加與分離。應用案例：有線電話機、電視機室外天線放大器，及其它需要遠程供電的電子設(shè)備。第25頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四單火線取電所謂單火線取電其實是指不直接用零線，而是取電裝置

13、與負載是串聯(lián)接到火線與零線上去，取電裝置靠關(guān)斷時流過負載的弱電流來取電?；鹁€-開關(guān)-負載-零線 單火線成品模塊電源: 21ic模擬版片主 Awey QQ:564687561 第26頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四其它供電設(shè)備超級電容 超級電容是以雙電層結(jié)構(gòu)為儲能體的電容器，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用，如電機驅(qū)動。第27頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四電壓變換線性穩(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-

14、DC第28頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四并聯(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第29頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四串聯(lián)型性線穩(wěn)壓串聯(lián)穩(wěn)壓電路的調(diào)整管與負載串聯(lián) 適合于駁接在電壓源、及內(nèi)阻很小的電源后端第30頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四三端穩(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：輸出電壓比輸入電壓低；反應速度快，輸出紋波較??；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低；發(fā)熱量大，間接

15、地給系統(tǒng)增加熱噪聲。 第31頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四三端穩(wěn)壓器件應用LM78XX可靠性設(shè)計 最小壓差: 2.5V 熱設(shè)計 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-DC第32頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四BUCK 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

16、等 VinVoDLIoS第33頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四Boost 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、MC34063等VinVoLIoSD第34頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四Buck-boost 極性反轉(zhuǎn)型輸出為負電壓 Vout=-Vin*D/(1-D) 輸出電壓絕對值可大于輸入電壓，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B

17、uck及Boost都是建立在Buck-boost上VinVoDLIoS1DS2第35頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四反激變換器優(yōu)點：電路簡單。輸入電壓范圍廣。 容易實現(xiàn)多路輸出。缺點：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第36頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四正激變換器優(yōu)點：電路簡單。線性輸出控制特性。不需要輔助的吸收回路。缺點：原邊開管電壓應力較高。諧振電容的損耗大。寬范圍輸入效率很難兼顧。第37頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四其它變換器半橋變換器全橋變換器LL

18、C變換器Speic變換器Zeta變換器第38頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四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管第39頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四高效率變換高效率功率變換：節(jié)能、減小發(fā)熱、增加電池使用時間針對開關(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 。功率半導體器件的進步 。第40頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四可靠性要求合理選擇電路拓撲控制策略的選擇功率器件降額使用保護電路：過壓、欠壓、過載、短路、過熱、防浪涌、防雷擊等。熱設(shè)計。安規(guī)。第41頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四電磁兼容 EMC=EMI+EMSEMI 包括傳導干擾與輻射干擾 電位發(fā)生瞬變的節(jié)點產(chǎn)生電場輻射 電流產(chǎn)生瞬變的電流路徑產(chǎn)生磁場輻射EMS 電磁敏感度第42頁，共48頁，2022年，5月20日，20點26分，星期四傳導干擾產(chǎn)生的機理電路中傳導噪聲的產(chǎn)生機理傳導噪聲由共模和差模組成某個節(jié)點的電位發(fā)生瞬變時（如快速切換的開關(guān)管），會通過導線向外傳播這一變化，形成