供電系統(tǒng)是所有產(chǎn)品(包括干線供電產(chǎn)品和電池供電產(chǎn)品)必不可少的組成部分，它可以實現(xiàn)和確保所有電路區(qū)域正常工作。除了提供工作動力之外，有些供電系統(tǒng)還可以檢測甚至在某些情況下校正復(fù)雜電路中的異常。
從過去到現(xiàn)在，能源一直都是技術(shù)市場關(guān)注的重點。隨著無數(shù)公司積極向“綠色”(也稱為環(huán)保)方向發(fā)展，監(jiān)管機構(gòu)期望通過制定能效標(biāo)準(zhǔn)來降低功耗，每個人都希望節(jié)能。甚至消費者也在低電費的美好愿景下怦然心動，開始尋找可能節(jié)省電費的產(chǎn)品和設(shè)備。
并非只有能源OEM專注于降低能耗。整個技術(shù)社群有著相同的目標(biāo)。畢竟，即使你能夠設(shè)計出功效最高、超級環(huán)保且優(yōu)于所有現(xiàn)行法規(guī)章程的電源產(chǎn)品，甚至是一些前人從未想到的電源產(chǎn)品，但是如果這個產(chǎn)品被用在一批設(shè)計超爛、功效極低的電路上時，你所有的付出還是會歸結(jié)為零。
仔細(xì)分析基本技術(shù)
目前有幾個流行的電源類型和三個可用來實現(xiàn)高性能和高功效的可行技巧，包括線性穩(wěn)壓、開關(guān)模式和可編程電源，功率因子校正(PFC)、效率以及數(shù)字控制。下面我們將快速回顧一些基礎(chǔ)知識，然后再繼續(xù)討論。
大多數(shù)情況下，人們都假定供電是將高電平交流電壓轉(zhuǎn)換成相同或較低的直流電壓，然后再為特定電路或器件供電。當(dāng)然，這樣的說法并不完全正確，因為有的器件(也被稱為供電)是將AC轉(zhuǎn)換為AC，將DC轉(zhuǎn)換為DC。為了便于討論，我們還是堅持這個假定，即供電(power supply)就是指AC/DC轉(zhuǎn)換器，而將DC/DC轉(zhuǎn)換器等其他器件都稱為電源(power source)。
不管是復(fù)雜的、機密的還是外來的設(shè)計，大多數(shù)供電系統(tǒng)的前端都采用最為原始的技術(shù)。插墻式交流電進入降壓或升壓變壓器，然后再饋入整流器和濾波電路。
供電可以相當(dāng)簡單，也可以非常復(fù)雜，這取決于具體應(yīng)用對直流電源的需要。對于實驗、業(yè)余愛好和一些直流器件的供電，或許一個基本的單極性供電(圖1)就足夠了。
由于經(jīng)得起時間的考驗且器件數(shù)量很少，因此基本供電仍是目前許多最為先進器件中的骨干�；竟╇妰H由一個降壓交流變壓器、兩個整流器和一個濾波器電容組成。
輸出電壓和電流能力完全由變壓器的額定值確定。整流器二極管和濾波器電容則根據(jù)這些最大額定值來選擇。
對于需要雙極性供電的應(yīng)用而言(圖2)，相同的供電部分只要增加兩個二極管和另外一個濾波器電容即可實現(xiàn)簡單轉(zhuǎn)換，生成所謂的浮點接地。一個可以實現(xiàn)更穩(wěn)定、噪聲更少的稍勝一籌的方法，是將變壓器(圖3)更換為次級線圈帶有中心抽頭的變壓器，從而提供電路的接地。
此外，對于簡單的設(shè)計而言，基本供電就足夠了。但是對于復(fù)雜的數(shù)字設(shè)計，這些簡單的拓?fù)渌鶐淼牟蛔阆喈?dāng)明顯，令人無法忍受。
首先，輸出電壓一般是實際所需輸出電壓的接近值，即需要12V時為13.4V；其次，由于溫度和交流線路情況，電壓和電流漂移沒有補償；第三，減少紋波的唯一方法是增加更大和/或更多的濾波器電容。
其他考慮因素包括：是否需要多個輸出、用戶安全和電路保護、熱條件、PFC、控制以及是否需要滿足機構(gòu)對效率等關(guān)鍵因素提出的要求。
基本電源之外的高級電源
略比基本電源高級的是線性穩(wěn)壓電源，這種電源可將輸出電壓鎖定至精確值，同時可緩沖輸出，防止輸入電壓和負(fù)荷出現(xiàn)波動。這種穩(wěn)壓器還可以減少紋波和噪聲。
在某些情況下，線性穩(wěn)壓器對電流進行限制，防止電源出現(xiàn)過流。線性穩(wěn)壓電源的另一個功能是可調(diào)節(jié)輸出，這使其可用于實驗室和維修站應(yīng)用。
再往上則是開關(guān)電源(SMPS)，這種電源工作時無需大變壓器。它們可接受交流輸入電壓，從而通過電源的開關(guān)電路進行快速開關(guān)(接近50kHz至1MHz的速度)。
至SMPS的輸入先經(jīng)過整流器，將交流轉(zhuǎn)換成不穩(wěn)定的非穩(wěn)壓直流。然后該直流進入逆變器(交流變換器)電路，通過功率振蕩器將該直流轉(zhuǎn)換成交流。
通過一個小輸出變壓器在20kHz的頻率下工作時，這種交流變換器級耦合至輸出濾波器和整流器，交流再次轉(zhuǎn)換成最終輸出的直流。為進行穩(wěn)壓，部分輸出通過控制器電路被饋回至交流變換器級。
與其他類型的供電相比，SMPS具有諸多優(yōu)勢，應(yīng)用范圍非常之廣，從電腦到醫(yī)療設(shè)備。這些優(yōu)勢包括高效率、元件尺寸更小重量更輕以及發(fā)熱更低。
當(dāng)然，這些優(yōu)勢的代價是電路復(fù)雜性更高，并且需要分別通過低通濾波和PFC來解決電磁干擾(EMI)和諧波失真問題。
可編程供電適合自動測試設(shè)備(ATE)、工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域中更為專門的應(yīng)用，可以使用戶遠(yuǎn)程控制輸出電壓、電流，并通過GPIB、USB和RS-232等接口控制頻率。
可編程供電通常采用微處理器、編程電路、分流和各種回讀電路。這種電源也包含過流、過壓、短路和溫度補償?shù)雀鞣N保護電路，并且可輸出直流、交流(單相或兩相)和/或ac + dc偏置。
面向更優(yōu)供電性能的技術(shù)
無論何種類型，供電功能是任一電子設(shè)備或系統(tǒng)的核心。除提供和輸送工作動力(系統(tǒng)的血液)之外，供電還可以為自身及其供電的電路提供電路保護，將自身、系統(tǒng)和用戶與輸電線進行隔離，并實現(xiàn)整體工作的更高效率。當(dāng)然，許多此類功能是為了滿足某些機構(gòu)提出的要求。
目前，供電設(shè)計工程師對極板的主要考量包括散熱問題、效率和控制。當(dāng)然，尺寸永遠(yuǎn)都是挑戰(zhàn)。在不久的將來，可能會有聰明的設(shè)計工程師設(shè)計出栓劑大小的60GW SMPS。下面，我們將闡述實現(xiàn)更高效率并滿足機構(gòu)要求的技術(shù)。
功率因數(shù)校正 在消費電子以及其他應(yīng)用中是否有必要采用PFC？目前關(guān)于此業(yè)界仍然存在爭議。有些人認(rèn)為PFC電路不會提高效率，而且會增加供電過程所產(chǎn)生的熱量；但也有人宣稱，從功耗降低和提升效率的角度來看，PFC非常利于環(huán)保。雖然爭議仍在繼續(xù)，但是能源之星(Energy Star)和歐洲供電制造商協(xié)會(EPSMA)等管制機構(gòu)，要求電源制造商將PFC集成到所有的電源產(chǎn)品中。
功率因子是正弦電壓與電流波形之間的相差，被公認(rèn)為是負(fù)荷的實際功率與視在功率之比，其結(jié)果為0到1之間的小數(shù)和/或由小數(shù)化成的百分比。
理論上，與具有高功率因子的電力系統(tǒng)相比，具有低功率因子的功率系統(tǒng)汲取的電流更多。更高的電流會轉(zhuǎn)化成更多的能量損失，從而產(chǎn)生更高的能量成本。簡言之，PFC可以增加電力的功率因子值。
PFC電路有兩種明顯的類型：主動和被動。主動或被動校正電路用于SMPS，可降低交流電流的RMS值，從而提高功率因子，同時提供過流保護。
在成本效益方面，主動PFC的成本更高，但是其可獲得90%以上的功率因子值；被動PFC成本更低，可實現(xiàn)的功率因子值大約為80%至86%。
效率 按照TI的說法，供電(SMPS)效率可直接通過輸出功率除以輸入功率來計算。要計算效率的百分比，可使用以下公式：
效率(%) = (VOUT ? IOUT)/(VIN* IIN) *100%
幾乎所有人都認(rèn)為高效率對于所有相關(guān)因素而言都是一件好事。但是效率值實際上意味著什么呢？
“對比75%與90%的供電效率時，節(jié)省的用電量和以發(fā)熱形式浪費的能量相當(dāng)重要。”TDK-Lambda美國公司市場營銷副總裁David Norton表示。
對于消費者來講，效率越高，電費就越低。對于耗電量節(jié)節(jié)攀升的數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器，這種優(yōu)勢產(chǎn)生的效果就相當(dāng)顯著了。而對于走環(huán)保路線的廠商（比如醫(yī)療設(shè)備制造商等眾多廠商）來講，更高的效率是一個廣受歡迎的有利優(yōu)勢。
能源之星和80plus等監(jiān)管機構(gòu)正在密切關(guān)注這個問題。比如，TDK Lambda的DT100-C和DT150-C系列外接AC/DC供電(圖4)符合包括EISA、CEC、能源之星EPS Version 2.0、Efficiency Level V等嚴(yán)格的能量要求，分別可提供額定功率從100W到150W的各種型號。這兩大系列產(chǎn)品采用了滿足EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求的主動PFC，可在90至264Vac(47至63Hz)的常規(guī)輸入范圍內(nèi)工作。
數(shù)字控制 像所有的電子器件或者電路一樣，供電通過控制來使它們與其驅(qū)動的應(yīng)用保持一致。模擬控制方案和設(shè)備過去一直采用電壓和電流控制以及脈寬調(diào)制等各種功能來實現(xiàn)控制，這些功能仍然沿用至今。
但是，由于設(shè)計工程師和OEM一直都在尋找降低成本和器件數(shù)(占用空間)的方法，數(shù)字控制應(yīng)運而生。與模擬技術(shù)相比，數(shù)字控制可以提供諸多優(yōu)勢，比如對器件引起的變化的耐受能力、執(zhí)行復(fù)雜控制算法的能力、自校準(zhǔn)和更快的性能等。
對于SMPS而言，設(shè)計工程師通過高度集成且經(jīng)濟的微控制器、微處理器和數(shù)字信號處理器，即可運用自如地實現(xiàn)數(shù)字控制。此外，數(shù)字控制還可以通過TI TMS320LF2407等數(shù)字控制器來實現(xiàn)。一些設(shè)計工程師表示，優(yōu)秀的數(shù)字控制在供電系統(tǒng)中的目的，就是為了實現(xiàn)比模擬控制器更好的動態(tài)性能。
大多數(shù)采用數(shù)字控制的供電都屬于可編程供電范疇，但是這種情況在慢慢發(fā)生改變。TDK的EFE系列(圖5)嵌入式前端電源，采用8位MCU來實現(xiàn)全數(shù)碼控制輸出和處理內(nèi)務(wù)運作程式。據(jù)TDK表示，與同類器件相比，這樣做可以將器件數(shù)減少25%、尺寸減小45%、重量減輕56%。
300W EFE-300和400W EFE-400單路輸出供電可提供可提供133%的峰值功率能力(持續(xù)時間為10s)，以及高達90%的效率。EFE-300具有1U外形，尺寸為3×5×1.34英寸，EFE-400的尺寸為3×6×1.34英寸。EFE-300可提供300W的連續(xù)功率和持續(xù)時間為10s的400W峰值功率，標(biāo)稱輸出為12V/25A或24V/12.5A。EFE-400可輸出400W的連續(xù)功率和持續(xù)時間為10s的530W峰值功率，標(biāo)稱輸出為12V/33.3A或24V/16.7A。 |
