《控制系统电源管理》PPT课件

,控制系统电源管理,吴松wusong722,什么是电源管理？,电源有哪些种类？,低功耗系统设计,功率系统散热设计,1,2,3,4,5,线宽与电流的关系,电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。一个好的电源管理系统有以下特点：系统功耗低；系统热稳定性好；系统电源噪声小，EMC性能优越。,1.什么是电源管理？,2.电源有哪些种类？,蓄电池,开关电源,线性电源,集成线性稳压器、桌面式线性电源,DC/DC、AC/DC,干电池、铅酸电池、锂电池,2020/5/20,蓄电池,线性电源,开关电源,这三种不同的电源各有什么特点？,电源分类及组成,蓄电池,线性稳压电源,开关电源,干电池,铅酸电池,镍氢电池,集成稳压器,桌面式线性稳压电源,直流开关电源DC/DC,交流开关电源AC/DC,锂电池,干电池属于化学电源中的原电池，或者称为一次电池。因为这种化学电源装置其电解质是一种不能流动的糊状物，所以叫做干电池，这是相对于具有可流动电解质的电池说的。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。由于干电池属于一次性使用，成本相对较高；并且不管是普通的锌锰电池还是碱性电池，其内阻都比较大（通常在0.510欧姆级别），因此当负载较大时，电压下降很厉害，无法实现大电流连续工作。,蓄电池之干电池,铅酸蓄电池是一种具有一百多年应用历史的蓄电池。铅酸蓄电池的工作原理是：电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生化学变化，产生电流。铅酸蓄电池最大的特点是价格较低，支持20C以上的大电流放电（20C意味着10Ah的电池可以达到10*20=200A的放电电流），对过充电的耐受强，技术成熟，可靠性相对较高，没有记忆效应，充放电控制容易。但寿命较低（充放电循环通常不超过500次），质量大，维护较困难，是一种优点和缺点都很突出的电池。其突出的优点是大电流放电能力、没有记忆效应，可靠性高；突出的缺点是质量大，维护困难。为了解决由于电解液需要补充、维护困难的问题，人们开发了免维护铅酸蓄电池。铅酸蓄电池已经量产，能够在市场上买到各种不同电气规格和尺寸的。,蓄电池之铅酸电池,蓄电池之铅酸电池,镍镉电池是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单等优势。但其最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得电池容量和使用寿命大大缩短。所谓“记忆效应”就是电池在充电前，电池的电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低，在电池充放电的过程中（放电较为明显），会在电池极板上产生微小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。市场上能买到的镍氢电池有多种型号，有圆柱型和方型两种，其原理和结构类似，但圆柱型较为普遍，具有AAA（七号）、AA（五号）、2/3AA、4/3AA、B、C、D型不同尺寸和不同容量的电池。这些电池的标称电压都是1.2V。,蓄电池之镍氢/镍镉电池,锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比较贵锂离子电池与镍氢电池相比，重量较镍氢轻3040%，能量比却高出60。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.52倍，充放电次数可达500次以上，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”，不含有毒物质。锂离子电池的安全性：相对于铅酸蓄电池、镍氢电池等具备抗过充、过放电能力的电池，锂离子电池的充放电必须严格小心。锂电池具有严格的放电底限电压，通常为2.5V，如果低于此电压继续放电，将严重影响电池的容量，甚至对电池造成不可恢复的损坏；另一方面，电池单元的充电截止电压必须限制在4.2V左右，如果过充，锂离子电池将会过热、漏气甚至发生猛烈的爆炸。因此，通常在使用锂离子电池组的时候必须配备专门的过充电、过放电保护电路。平衡充电：先恒流后恒压方式充电，保证100充满电，由于是电池组串联，所以充电时不可能保证别串联的电池每个都能发挥最好的能力。因而分别单独充电。,蓄电池之锂离子/聚合物电池,蓄电池之优缺点比较,太阳能电池,太阳能电池，又称为太阳能芯片。在物理学上称为光生伏打(Photovoltaic)，简称PV。太阳能电池系一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，其将高纯度的半导体材料加入一些不纯物使其呈现不同的性质，如加入硼可形成P型半导体，加入磷可形成N型半导体，PN两型半导体相结合后，当太阳光入射时，产生电子与电洞，有电流通过时，则产生电力。价格较高、尺寸较大，重量较重。功率较低，即使光照条件理想，至少也需要1-2平方米的太阳能电池板才能满足供电需要；使用环境受限制。必须在较强日光条件下才能产生足够电力。在室内或者夜间无法使用太阳能电池技术。太阳能电池产生的电压、电流受光照条件影响，因此在移动系统中通常用于为蓄电池充电，难以直接对设备供电。,线性稳压电源,线性电源（Linearpowersupply）主要是针对开关电源来说的，指的是使用在其线性区域内运行的晶体管或FET来进行稳压的电源。从输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。线性稳压器能保持稳定输出额定电压的原理均是在工作在线型区的晶体管电路中引入负反馈，保证当输出电压过高时能降低输出电压，当输出过低时提高输出电压。LDO（低亚降）稳压器件：正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为200mV左右；与之相比，使用NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降电压为2V左右。（压降电压：是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。）78xx/79xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器。（1）输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；（2）输出电流不能太大，1.5A是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。由于线性稳压器是利用晶体管的线性区域来降压、稳压，因此显然其输入功率并非完全能从输出端口输出，两者的相差都会转为热能耗散掉。功率耗散(Pd)可以根据以下的公式粗略估算：Pd=(VinVout)*Iout,开关稳压电源,开关电源是通过电力电子技术控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。关电源工作效率高，一般可达到80以上。使用开关电源稳压芯片要注意电感和电容参数的选择；注意开关电源电路的纹波处理。,3.低功耗系统设计,低功耗设计并不仅仅是为了省电；降低了电源模块及散热系统的成本；方便产品的小型化；延长了移动设备电池的工作时间；由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰；随着设备温度的降低，器件寿命则相应的得到延长（半导体器件的工作温度每提高10度，寿命则缩短一半）。,1、降低功耗从MCU选型开始开始选型的时候就应该考虑选择低功耗的MCU，比如MSP430一类的为低功耗设计的CPU。2、选择器件用电电压降低器件的用电电压能够明显的降低器件的耗电比如说ATmega8和ATmega88，虽然芯片大致内部结构一致但是后者可以工作在1.8V的超低电压下，而前者就不行。3、尽量降低器件的工作频率CMOS电路的工作电流主要来自开关转换时对后一级输入端的电容充放电，如果能够降低MCU的工作频率自然耗电也就下来了，AVR的CPU工作在32.768KHz时和工作在20MHz时的工作电流差异有几十倍大。4、尽量使用VMOS做为外部功率扩展器件VMOS驱动的时候是电压型器件，驱动时几乎不产生功耗，比普通的晶体管省电，而且由于VMOS的导通内阻低通常只有几十个毫欧，在小电流的时候器件自身发热也小，尤其是小电流是效率远比传统晶体管要高的多。建议使用高速VMOS，因为高速VMOS用于开关速度相当高的PWM时效率会更高。,低功耗系统设计方案硬件篇,5、尽量使用中断让处理器进入更深的睡眠睡眠模式和掉电模式能够大大的降低MCU的工作电流，要充分的利用MCU的中断功能让MCU周期性的工作和睡眠从而大大的降低MCU的工作电流。6、片外IC的电源最好都能由MCU的IO控制比如常用的24C02，由于它是掉电记忆的，所以在它不工作的时候关掉电源以节约电流。还有比如说常用的6116的SRAM可以用单片机来控制它的片选端口来控制它的工作与休眠从而节约电流。大部分存储器的功耗在片选有效时（不论OE和WE如何）将比片选无效时大100倍以上，所以应尽可能使用CS来控制芯片，并且在满足其它要求的情况下尽可能缩短片选脉冲的宽度。7、使用PWM方式驱动LED器件，省略限流电阻节约了限流电阻同时也就节省了限流电阻上面的功耗，如果用户使用的是电池，还可以不定期的对电池电压进行检测然后改变占空比，从而恒定负载上面的电压，达到电源的最大利用率。8、慎用信号的上拉或下拉电阻，信号需要上下拉的原因很多，但也不是个个都要拉。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号，电流几十微安以下。但拉一个被驱动了的信号，其电流将达毫安级，现在的系统常常是地址数据各32位，可能还有244/245隔离后的总线及其它信号，都上拉的话，几瓦的功耗就耗在这些电阻上了。,低功耗系统设计方案硬件篇,9、CPU和FPGA的闲置I/O口处理。不用的I/O口如果悬空的话，受外界的一点点干扰就可能成为反复振荡的输入信号了。而MOS器件的功耗基本取决于门电路的翻转次数。如果把它上拉的话，每个引脚也会有微安级的电流，所以最好的办法是设成输出，当然外面不能接其它有驱动的信号。11、FGPA的功耗控制。FGPA的功耗与被使用的触发器数量及其翻转次数成正比，所以同一型号的FPGA在不同电路不同时刻的功耗可能相差100倍。尽量减少高速翻转的触发器数量是降低FPGA功耗的根本方法。12、软件与硬件配合来降低功耗总线上几乎每一个芯片的访问、每一个信号的翻转差不多都由软件控制的，如果软件能减少外存的访问次数，多使用寄存器变量、多使用内部Cache，及时响应中断（中断往往是低电平有效并带有上拉电阻）及其它针对具体硬件所采取的特定措施都将对降低功耗作出很大的贡献。13、尽量关闭MCU内部不用的资源比如ATmega8内部的模拟比较器，默认是开着的，还有ATmega88内部的大多数资源都可以在不用的时候用软件关闭。,低功耗系统设计方案硬件篇,14、硬件软件化只要是硬件电路，必然消耗功率。将一些信号抗干扰处理、滤波等工作改为用软件来实现。15、采用快速的算法数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，可以大量节省运算时间，从而减少功耗；在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法。16、中高通信系统的波特率在多机通信中，通过对通信模块的合理设计，尽量地提高传送的波特率。提高通信速率，意味着通信时间的缩短。发送、接收均应采用外部中断处理方式，而不采用查询方式。17、数据采集系统中尽量降低采集的速率A/D转换需要消耗功率，采集的速度快，则消耗的功率多。产生的数据量大，处理数据需要大量的CPU时间，消耗功率数据处理，抗干扰处理等。多使用中断方式进行数据采集，避免使用查询的方式。18、LED采用静态显示方式静态：需要的电路多，电路消耗功率较少；动态：需要软件刷新扫描，刷新操作消耗功率。综合计算，选择方案,低功耗系统设计方案软件篇,通常条件下，热量的传递包括传导、对流和辐射3种方式。传导是指直接接触的物体之间热量由温度较高的一方向温度较低的一方传递，对流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。器件的散热方式常见的有风冷、水冷、散热器连接等。在电子电路设计过程中，通常采用发热功率器件和散热器紧密连接的散热方式，但是采用散热器和风扇并用的散热方式也比较多见。散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，而散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热量辐射大大增加；同时，流通的空气也能带走尽可能多的热量，来降低工作电路周围的环境温度。有些散热器的表面经电泳涂漆或黑色氧极化处理,以提高散热效率及绝缘性能。,4.功率系统散热设计,在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析：1.电气功耗（1）分析单位面积上的功耗；（2）分析PCB板上功耗的分布。2.印制板的结构（1）印制板的尺寸；（2）印制板的材料。3.印制板的安装方式（1）安装方式（如垂直安装，水平安装）；（2）密封情况和离机壳的距离。4.热辐射（1）印制板表面辐射系数；（2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度；5.热传导（1）安装散热器；（2）其他安装结构件的传导。6.热对流（1）自然对流；（2）强迫冷却对流。从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径，往往在一个系统中这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析。,PCB电路板散热设计,1.高发热器件加散热器、导热板当PCB中有少数器件发热量较大时(少于3个)时，可加散热器或导热管，当温度还不能降下来时，可采用带风扇的散热器以增强散热效果。当发热器件量较多时(多于3个)，可采用大的散热罩(板)，它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。将散热罩整体扣在元件面上，与每个元件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差，散热效果并不好。通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。2.通过PCB板本身散热PCB板材是覆铜环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材。这些基材虽具有优良的电气性能和加工性能，但散热性差。由于QFP、BGA等表面安装元件的大量使用，元器件产生的热量大量地传给PCB板，因此，解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PCB自身的散热能力，通过PCB板传导出去或散发出去。而铜箔线路和孔是热的良导体，因此提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段。3.对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他器件）按纵长方式排列，或按横长方式排列。4.同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处）；发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。5.在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。,PCB电路板散热设计具体散热方法1,7.对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部）。千万不要将它放在发热