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1、电子设备的电源系统与管理本讲稿第一页，共四十八页电子设备的定义v根据控制对象的不同，需要依靠电能才能工作的设备有两大类：v电子设备：处理的信号对象是弱电范围，如手机、MP3、电视机、打印机、电脑等；v电气设备：处理的信号对象是强电范围，如发电机、大型电机、电梯、起重机、电力变压器、变频器、电力调节器及控制器等.本讲稿第二页，共四十八页电源的多样性v电池供电v交流供电v太阳能供电v无线供电v信号线馈电v单火线取电v其它电源本讲稿第三页，共四十八页电池供电v电池的种类及特点v电池的重要参数v如何选择适合的电池v电池的充放电管理本讲稿第四页，共四十八页电池的种类及特点电池的分类：v按外形分：圆柱形，
2、如常见1号/2号/5号(AA)/7号电池(AAA)纽扣形，如电子表、电脑主板里的纽扣电池 方形，如万用表、玩具里的9V叠层电池 薄片形，如口香糖电池、太阳能电池板本讲稿第五页，共四十八页v按可否充电区分：一次电池，无法充电重复使用，电力耗尽后即报废，如碳锌电池、碱性电池、水银电池、一次性锂离子电池。二次电池，电力耗尽后可充电重复使用，如镍镉充电电池、镍氢充电电池、锂充电电池、铅酸电池。本讲稿第六页，共四十八页各种电池的特点v锌锰干电池：中性电解质，放电电压不够平稳，容量受放电率影响较大，适用于中小放电率或间歇放电场合。v碱性锌锰电池：碱性电解质，容量大，电压平稳，可以大电流连续放电。v锌汞电池
3、：电压平稳，但是低温性能差，且汞有毒。本讲稿第七页，共四十八页v锌空气电池：分碱性中性两个系列，结构上又分湿式和干式两种；湿式电池只有碱性一种，多制成大容量固定型电池；中性干式电池只能在小电流下工作；碱性干式电池比能量大，可大电流放电；空气干式电池受环境湿度影响大，使用周期短，可靠性差。本讲稿第八页，共四十八页v锂电池：单体电池电压高，比能量大，存储寿命长，高低温性能好，但是价格昂贵，安全问题尚未完善。v铅蓄电池：适用性好，但是比能量低。v镉镍蓄电池：有开口式、密封式和全密封式三种；可以高倍率放电，循环寿命长，但是充电效率低。v锌银蓄电池：比能量高，性能良好，分高、中、低倍率三种，适用于特殊场
4、合，但寿命短，价格昂贵。本讲稿第九页，共四十八页电池的重要参数v额定容量：规定条件下电池能放出的最低容量，单位是安培小时，以符号C表示。容量受放电率影响较大，所以一般C的下脚标标明放电率，如C20=50,即20时率下容量为50安时。v额定电压：常温下典型工作电压，又称标称电压。电池的实际电压随不同使用条件而异。v充放电速率：有时率和倍率两种表示方法。时率=额定容量/充放电电流 倍率=1/时率v阻抗：等效模型，大电容+小电阻+小电感，阻抗随时间和直流电平不同而变化，所测得的阻抗只对具体测量状态有效。v寿命：储存期+使用期=有效期。v自放电率：存放过程中电池电容量自我损失的速率。用单位时间内自放电
5、损失容量占储存前容量的百分数表示。本讲稿第十页，共四十八页如何选择适合的电池v根据容量选取:C=1.2*I*H v根据设备的空间选取v要据设备的功率选取v电池性价比本讲稿第十一页，共四十八页电池的充放电管理v充电截止电压v放电截止电压v充电电流v充满检测方法 v温度补偿v恒压充电v恒流恒压充电：先恒流后恒压。v脉冲充电：一般采用充与放的方法，即充5s就放1sv涓流充电：弥补电池充满电后因自放电而造成的容量损失。v浮充方式v大电流快速充电本讲稿第十二页，共四十八页交流供电v工频变压器降压整流vRC降压整流v开关电源本讲稿第十三页，共四十八页工频变压器降压整流v降压变压器隔离作用降压作用Uo=Ui
6、*N2/N1(N2：次级匝数；N1：初级匝数)本讲稿第十四页，共四十八页半波整流v整流 用工频变压器获得低压交流电，再整流滤波即可得到直流输出。v半波整流 纹波较大、变压器利用率低 有直流磁化偏磁现象，适合小电流输出 电容取值：C=60000100000/R本讲稿第十五页，共四十八页全波整流 变压器利用率中等(次级两个绕组分别只有半个周期可利用)次级需要对称绕组 有一定直流偏磁 适合大电流输出 开路输出电压为变压器单绕组电压的1.4倍 带载输出电压为变压器单绕组电压的1.2倍 电容取值(uF)：C=3000050000/R本讲稿第十六页，共四十八页桥式整流v变压器次级只需一个绕组，利用率高 适
7、合大电流输出 开路输出电压为变压器单绕组电压的1.4倍 带载输出电压为变压器单绕组电压的1.2倍 电容取值(uF)：C=3000050000/R本讲稿第十七页，共四十八页v倍压整流v优点：简单，可靠。无高频干扰。v缺点：需要使用工频变压器，笨重，体积大，效率低本讲稿第十八页，共四十八页RC降压整流vRC降压整流 利用电容在工频交流电压作用下的充放电流获得电流输出，在负载上得到一定的压降。其输出具有电流源特性，输出电压随负载阻抗的升高而升高，不允许开路，否则将击穿输出滤流电容，需要在输出端配合并联型稳压电路才能工作。v根据负载电流选取无极性高耐压C而非电压或功率v适合小功率、稳定、阻性负载 本讲
8、稿第十九页，共四十八页vRC降压半波整流 交流电的负半周，市电通过D2为C1反向充电，达到负的最大值；正半周开始后，C通过D1向C2放电，同时输出电流，端电压由DZ进行钳位，一定时间后C1的电荷放完，开始正向充电，由电荷守恒定律可知，输出端得到的电荷量最多等于C1的充电电荷量，即输出电流 Io=50*(2Vp-Vdz)*C1 如，限流电容1uF 输出电压12V 在220V交流电压下 输出电流约为30.5mA 本讲稿第二十页，共四十八页vR1是C1的泄放电阻，要求承受高电压，一般取1/2W以上金属膜电阻，根据安规要求，电源插头在拔下一秒内，插头两端的电压要降到安全电压36V以下，而电网波动情况下
9、，电容上的电压可达市电峰值的1.2倍，因此要求R1*C1的时间常数要小于0.4秒vR2是限流电阻，防止在电压峰值处上电，或在C1充电到峰值处线路接触不良，恬好在电压负峰时接通时的浪涌电流击坏整流二极管，如选用1N4007，其浪涌电流为30A，则限流电阻不得低于22R，因为它需要同时承受高电压和大电流的，要求具有一定的热容量，空间允许的情况下，可选12W的金属膜电阻，最好选用水泥电阻。vD1-D2是整流二极管，一般选取用1N4007即可。vC2是滤波电容，取值为C=35t/R t为脉冲周期,0.02秒本讲稿第二十一页，共四十八页vRC降压桥式整流电路 输出电流 Io=50*(2Vp-Vdz)*C
10、1 C2滤波电容取值为C=35t/R t为脉冲周期,0.01秒 其余器件参数及要求与前页半波相同本讲稿第二十二页，共四十八页太阳能供电v太阳能供电系统由太阳能电池板、最大功率跟踪电路、蓄电池及充放电管理电路组成。可直接作为直流输出，也可以根据需要通过逆变器输出交流220V或110V。v太阳能供电受日照条件影响，输出不稳定，必须日光照射才有可用的输出，在没有阳光的情况下，输出电流十分微弱，因此使用太阳能供电时，必需配合蓄电池才能稳定供电。本讲稿第二十三页，共四十八页无线供电v电磁耦合：变压器就是个例子，把变压器两个绕组分开，利用磁场耦合也具有一定的互感，形成短距离的无线供电，一般可达到几厘米到几
11、十厘米。v光电耦合：电能光能电能v超声波耦合：电能 超声波电能v近距离、效率偏低本讲稿第二十四页，共四十八页信号线馈电v在传输非直流信号的信号线上传输电能，在发送端和接收端分别用阻波器和耦合电容进行信号的叠加与分离。v应用案例：有线电话机、电视机室外天线放大器，及其它需要远程供电的电子设备。本讲稿第二十五页，共四十八页单火线取电v所谓单火线取电其实是指不直接用零线，而是取电装置与负载是串联接到火线与零线上去，取电装置靠关断时流过负载的弱电流来取电。v火线-开关-负载-零线 v单火线成品模块电源:21ic模拟版片主 Awey QQ:564687561 本讲稿第二十六页，共四十八页其它供电设备v超
12、级电容 超级电容是以双电层结构为储能体的电容器，能量密度只有蓄电池的1/201/10，但充放电寿命是蓄电池的100倍以上，适合于长期频繁充放电的应用，如电机驱动。本讲稿第二十七页，共四十八页电压变换v线性稳压 并联型 串联型v斩波降压 Buck v直流升压 Boostv极性反转 Buck-boostv多路输出 多路DC-DC本讲稿第二十八页，共四十八页并联型线性稳压v并联型稳压电路的调节器件与负载并联 适合于驳接在恒流源、或内阻比较高电源后端作稳压。如电流互感器整流的稳压输出，以及RC降压整流的输压输出本讲稿第二十九页，共四十八页串联型性线稳压v串联稳压电路的调整管与负载串联 适合于驳接在电压
13、源、及内阻很小的电源后端本讲稿第三十页，共四十八页三端稳压器件v线性稳压：是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。特点：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大，间接地给系统增加热噪声。本讲稿第三十一页，共四十八页三端稳压器件应用vLM78XX可靠性设计 最小压差:2.5V 热设计 退耦电容vLDO 选用原则 最小压差 低输入输出压差条件下替代DC-DC本讲稿第三十二页，共四十八页BUCK 斩波降压型 输出电压一定小于输入电压 连续模式：Vout=D*Vin ACT4060、AE1501、AOZ1014、AP1509、AP1512、AP1602、A
14、PS1006、L4960、L4971、LM2576、LM2676、LTC3703、LTC3810、XC9213、ZA3020、MC34063等 VinVoDLIoS本讲稿第三十三页，共四十八页Boost 升压型 输出电压一定大于输入电压 连续模式：Vout=Vin*/(1-D)AN8101、CE8301、EM1308、NCP1402、TR9266、CX6371、MC34063等VinVoLIoSD本讲稿第三十四页，共四十八页Buck-boost 极性反转型v输出为负电压 Vout=-Vin*D/(1-D)输出电压绝对值可大于输入电压，也可小于输入电压，则占空比决定。LTC3780、XC9504
15、、MC34063等 Buck-boost是最基本的拓朴，前面的Buck及Boost都是建立在Buck-boost上VinVoDLIoS1DS2本讲稿第三十五页，共四十八页反激变换器v优点：优点：v电路简单。v输入电压范围广。v容易实现多路输出。v缺点：缺点：v输出纹波电流大。v输出控制特性非线性。v通常需要辅助的吸收回路。v转换效率较低。VinVoSLmD本讲稿第三十六页，共四十八页正激变换器v优点：优点：v电路简单。v线性输出控制特性。v不需要辅助的吸收回路。v缺点：缺点：v原边开管电压应力较高。v谐振电容的损耗大。v宽范围输入效率很难兼顾。本讲稿第三十七页，共四十八页其它变换器v半桥变换器
16、v全桥变换器vLLC变换器vSpeic变换器vZeta变换器本讲稿第三十八页，共四十八页多路输入电源的切换v箝位输入间二极管v各输入串联继电器v各输入串MOS管本讲稿第三十九页，共四十八页高效率变换v高效率功率变换：节能、减小发热、增加电池使用时间v针对开关损耗，最有效的方法是软开关技术或零电压开关或零电流开关技术。v无源无损耗缓冲电路。v功率半导体器件的进步。本讲稿第四十页，共四十八页可靠性要求v合理选择电路拓扑v控制策略的选择v功率器件降额使用v保护电路：过压、欠压、过载、短路、过热、防浪涌、防雷击等。v热设计。v安规。本讲稿第四十一页，共四十八页电磁兼容 vEMC=EMI+EMSvEMI
17、 包括传导干扰与辐射干扰 电位发生瞬变的节点产生电场辐射 电流产生瞬变的电流路径产生磁场辐射vEMS 电磁敏感度本讲稿第四十二页，共四十八页传导干扰产生的机理v电路中传导噪声的产生机理v传导噪声由共模和差模组成v某个节点的电位发生瞬变时（如快速切换的开关管），会通过导线向外传播这一变化，形成传导噪声本讲稿第四十三页，共四十八页差模噪声及其抑制v差模噪声主要由开关电流的高次谐波产生，由供电线路及负载构成回路，由于输入输出滤波电容的ESR及ESL均不可能为零，故而会向供电线路及负载上产生一定的分流，形成差模干扰v差模噪声的特点 两条导线上的差噪声大小相等，方向相反v在回路上串差模电感，可抑制差模
18、电流大小。差模电感可用低导磁环 电感，也可用工字型功率电感本讲稿第四十四页，共四十八页共模噪声及其抑制v共模噪声 共模噪声通过产生噪声的节点对大地的分布电容，及线路远端各节点对大地的分布电容构成回路，同时在两条以上的线路上传播，相位完全相同，大小可以不相等；本讲稿第四十五页，共四十八页v通过在回路上加装共模电感及 Y电容，可以削弱共模噪声电流v共模电感是在同一个磁芯上两根 同向绕制的线圈形成本讲稿第四十六页，共四十八页治理噪声 疏不如堵v软开关技术 ZVSZCS 谐振/准谐振v跳频技术 分化噪声频谱v优化功率开关管驱动设计 降低开关节点的dv/dt及回路的di/dtvLayout 短、平、快本讲稿第四十七页，共四十八页 谢 谢！联系方式：13713951451 QQ:27233541PowerAnts 2011-1-本讲稿第四十八页，共四十八页