林釗文
摘 要:隨著電子技術的日益發(fā)展,衍生出各種各樣的電子行業(yè)。不管是哪個電子行業(yè),都需要用到電源。電源系統(tǒng)擔任系統(tǒng)電能轉換和傳送。其在系統(tǒng)中的角色相當于人體心臟的作用,一旦呈現(xiàn)問題,系統(tǒng)就會中止工作。電源的穩(wěn)定性直接決定電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性,所以電源芯片的選型十分關鍵。
關鍵詞:隔離 PoE;適配器;電網(wǎng);無線充電
一、引言
關于電源的技術有很多,電源芯片的分類也非常廣泛。電源可以分為,AC/DC,DC/AC;也可以分為DC/DC,LDO;也可以分為buck,boost,buck-boost;可以分為脈沖調制變換器,諧振式變換器;也可以分為隔離式和非隔離式的電源。
電子工程師必須掌握電源芯片的選型。
二、初級電源選型
1 從電網(wǎng)取電
電子儀器,一般是從電網(wǎng)取電,所以初級電源通常指的是電源適配器。對于初級電源,由于是從電網(wǎng)取電,而電網(wǎng)中連接著數(shù)以萬計的電子設備,電磁爐,電視機,電燈,電冰箱等。所以從電網(wǎng)取電,干擾一般比較大。為了避免電網(wǎng)的干擾大,導致電子儀器異常,適配器的設計基本都是隔離的,使用電源變壓器的設計方式,使初級電路和次級電路隔離。使用隔離方式設計的電源,后級電路的干擾被高頻變壓器隔離,不會對電網(wǎng)產生影響;電網(wǎng)的干擾也會被高頻變壓器隔離,不會引入到后級電路中。
對于適配器的選型,需要關注適配器的以下參數(shù)。1)輸入電壓,常用的適配器的輸入電壓是100V-240V(90V-260V 20%的適壓范圍),我國使用220V的電網(wǎng),其它國家可能使用110V的電網(wǎng),100-240V是指下限110V的-10%到上限220V的10%。90V-260V是指下限110V的-20%到上限220V的20%。2)輸出電壓,常用電壓有5V,9V,12V,20V,24V。對于常用的手機適配器,一般是5V充電的;對于支持快充的手機適配器,是5V,9V,12V可握手切換的;電腦充電器一般是20V的。3)輸出電流。輸出電流×輸出電壓=功率。一般輸出功率比較大的適配器體積也比較大。
這類適配器,一般使用boost拓撲,boost拓撲BOM成本比較低;也有直接使用工頻變壓器+穩(wěn)壓管的形式,采用該種方式,電壓偏移比較大,空載電壓比較高,帶負載后電壓掉落比較快,一般不建議使用這種適配器。
2 從網(wǎng)線取電
從網(wǎng)線上取電,簡稱為PoE(power over enthenet)。從網(wǎng)線取電的前提網(wǎng)線上必須有電,這類設備一般分為PSE和PD。PSE是供電設備,PD是受電設備。PoE可以簡單理解為從網(wǎng)絡變壓器的中間抽頭取電。
PoE的供電方式,可以分為標準PoE供電方式和非標準PoE供電方式。標準的PoE供電方式指的是符合802.3af,802.3at標準(48V-56V),前者是13W,后者是25W。采用標準的PoE供電方式,在沒有接上PD設備的時候,網(wǎng)絡變壓器的中間抽頭只有很低的電源電壓(少于2V),當接入PD設備后,PD和PSE握手通信,確定PD是按照af還是at標準設計的,才給予相應的功率。而采用非標準的PoE供電,只是簡單的在網(wǎng)絡變壓器的中間抽頭提供電源電壓,采用非標準的PoE供電,PD端短路可能會導致網(wǎng)絡變壓器燒壞的情況。
PoE供電的好處是省去了一個電網(wǎng)的接口,電網(wǎng)接口是高壓接口,處理不謹慎很容易做成觸電。在一些不好鋪設電網(wǎng)的地方可以鋪設網(wǎng)線。標準的PoE供電由于沒有連上PD設備的時候,電壓很低,大概2V以下,所以非常安全。
PoE的選型,PoE的設備只是針對網(wǎng)絡設備。首先確定是否需要符合802.3的標準。如果需要符合標準,再確定PD設備的所需功率是13W以下還是25W以下,最終確定PoE使用的標準。如果大于25W以上的設備,不建議采用PoE供電。如果是非標準的PoE,沒有必要把網(wǎng)絡抽頭上的電壓設定為48V(標準PoE的電壓是48V-56V),但是也不能設定得過低,需要考慮線損。由于網(wǎng)線的長度可能很長,為了避免網(wǎng)線過長影響PD設備的后級電路,所以PoE設備內部的第一級電源也會采用隔離式設計,采用隔離式電源設計,可以避免PSE和PD共地互相干擾。
3 總線供電
單總線供電的方式比較特殊,即在通信總線上提取電源,如主機和從機之間使用I2C通信,從機可以在I2C總線上提起電源。在某些情況下,電子設備的安裝位置并沒有電網(wǎng)接口,而這類電子設備本身的運行功耗不大,如消防報警器。這類設備有以下特點:1)不屬于網(wǎng)絡設備,不使用網(wǎng)絡接口,如果是網(wǎng)絡接口的設備可以使用PoE的方式。2)功耗比較低。因為是從總線上提取電源,總線的長度不確定,可能會有很大的線損。3)可以并接多個從機設備,也就是在一條總線上,一個主機可以并接多個從機。4)有短路保護機制,防止由于個別設備短路而燒壞總線。
單總線供電技術由于是從總線上提取電源,所以對電源器件沒有要求,主要是對其它器件的選型有要求,一般要求低功耗。
4 無線充電
無線充電技術主要用于手持設備,如手機,手表。無線充電技術主要利用電磁技術,在發(fā)射器將電流轉化為電磁,手機通過內置芯片接收器將電磁轉化為電流為手機充電。無線充電技術標準主要有4個:Qi,PMA,A4WP,APPLE。
目前的無線充電技術有三種。一種是充電墊,它用到了緊密耦合電磁感應技術或者短程充電技術。一種是充電碗或者穿透表面的充電器,用到了松耦合電磁諧振充電技術,可以相隔幾厘米傳輸電力。還有一種是解耦合RF無線充電技術,充電距離比較遠。
無線充電的發(fā)射端和接受端所使用的芯片是成對出現(xiàn)的,即符合Qi標準的發(fā)射芯片需要使用符合Qi標準的接收芯片接受能量。無線充電設備使用方便,但是成本價格比較高。
三、結束語
電子系統(tǒng)設計的過程中,必須要慎重考慮初級電源的選型。以上四種初級電源的供電方式,各有優(yōu)點缺點。無線充電價格高,效率低,但比較方便。總線供電成本低,但只能支持低功耗設備。PoE供電比較方便,但是成本也比較高,而且要求PD內部的第一級電源做隔離處理。適配器供電最常用,但是對于一些沒有電網(wǎng)的場合不太適用。硬件方案設計時,需要綜合考慮以上四種方式,選擇適合自己的初級電源。