各种电源的特性和用途

电路板或格式电子系统中有各式各样的电源电路，隔离型、非隔离型，AC-DC、DC-DC，升压、降压等。他们都是为负载供电，负载多种多样，对应电源也多种多样。

电源系统概述

这里讲述的电源是指一种电能转换装置。我们常见电源家族如图1.1所示，不同颜色连接线代表不同形式的电能，它们之间存在电能之间的转换，而实现这种电能转换的装置就是电源。



图1 常见小功率电源家族一览图

从图1.1中可以看出，电池和市电一般不能直接给电子系统供电，使用时需要先将电能转换到Power 1线路中，以提供给其它模块使用。其中电池可以通过升压或者降压的DC-DC电源来实现电能转换，市电则可通过AC-DC电源进行电能转换。在对电源要求不高的场合，如充电器、LED驱动和电机驱动等应用中，Power 1可以直接提供电能

在过去，AC-DC电源经常使用一个工频变压器降压，然后通过整流滤波电路的线性电源获得Power 1，这样的电源体积大，而且效率不高，随着开关电源技术的发展和推广，这种线性电源逐渐被开关电源代替，并得到广泛应用。许多公司陆续推出高性能的AC-DC电源芯片，如安森美(ON)推出的NCP1075，不仅效率高、静态功耗小，而且外围器件非常少、电路简单，如图2所示，即便是菜鸟，也能很快上手，大大减少了电源开发难度和缩短了开发周期，非常有利于开关电源的推广。



图2 NCP1075应用电路图

高效率准谐振(QR)和高功率因数单级PFC反激电源也得到了快速发展，可能很快成为AC-DC电源主流，代表IC如安森美(ON)推出的NCP1380和NCP1247。

在运算放大器、传感器、MCU和基准源等应用中，它们对电源的纹波噪声和电压精度要求比较高，那么Power 1还需要经过线性电源转换到Power 4线路中，才能给其系统供电。传统的线性电源一般采用NPN机构作为功率管，或者用达林顿结构功率管，如图3所示，LM7805和LM317等，都是这种结构。这类电源的特点是要求输入电压比输出电压高1.5V以上，如果输入输出压差比较小，这种稳压方式就不能满足要求了。



图3 使用NPN作为功率管

为了解决低压差问题，以PNP作为功率管的新品种——LDO应运而生。因为使用PNP作为功率管，如图4所示，所以输入输出的压差可以很低，如美国的MPS公司的MP20049，输入输出压差可以小到50mV，非常适用于低压差的场合。



图4 使用PNP做功率管

线性电源已经得到广泛应用。然而，随着电子技术的发展，电子产品对电源功率要求越来越大，那么线性电源就有些力不从心了。原因在于线性电源效率一般在60%以下，比较低，如果耗散功率大，还需要加散热片，致使它远远不能满足电子产品高集成化和高能效要求。就在这个时候，高性能的DC-DC开关电源便逐渐受到广大工程师的青睐。

早期的DC-DC开关电源因其存在固有的开关噪声给许多工程师留下了不好的影响，正因如此，在选择电源的时候，很多人会首先考虑线性电源。然而，现代电子技术发展突飞猛进，DC-DC开关电源在性能上也取得了惊人的发展。尤其是美国的MPS公司，通过改进生产工艺和技术创新，推出各种应用场合的高品质电源IC，已经广泛用到智能手机、笔记本电脑、汽车和工业控制等行业。MPS最近推出的MP2161GJ电源方案，如图5所示，不仅电路简单，而且性能优越，纹波噪声可以小到20mV以下，频率可以到1.5MHz，输出电流到达2A，体积非常小，可以完美取代线性电源，成为高集成电源的理想方案。这正是将Power 1电能转换成Power 3电能的装置——高性能DC-DC开关电源。



图5 MP2161GJ应用电路

除了上述电源以外，在一些分布式供电系统和工控电源系统应用中，如图1.1右侧部分，它们需要消除共模干扰、浪涌冲击和实现安全隔离，电源隔离是必要的，所以就形成了Power 1电能换成Power 2电能的DC-DC隔离电源产业。然而隔离电源的设计难度大，制作工艺要求高，很难通过自行设计并做出理想的产品，因此，隔离电源模块化成为必然发展方向。一些公司如广州致远电子股份有限公司将隔离电源设计成模块,如图6所示，它们只有输入和输出端子，不需要加任何外围器件就可以直接使用，有效提高了嵌入式系统的开发效率。



图6 隔离电源模块

电源产品日新月异，只有充分了解各种电源，才能在电源应用中选择最合适的方案。