《控制系统电源管理》ppt课件

1、 吴松wusong722gmail 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12345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？蓄电池蓄电池开关开关电源电源线性线性电源电源集成线性稳压器、集成线性稳压器、桌面式线性电源桌面式线性电源DC/DC、AC/DC干电池、铅酸干电池、铅酸电池、锂电池电池、锂电池2021-11-1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

2、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 l 干电池属于化学电源中的原电池，或者称为一次电池。由于这种化学电源安装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。l 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。l 由于干电池属于一次性运用，本钱相对较高；并且不论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，无法实现大电流延续任务。蓄电池 之 干电池 l 铅酸蓄电池是一

3、种具有一百多年运用历史的蓄电池。l 铅酸蓄电池的任务原理是：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，那么阴阳极及电解液即会发生化学变化，产生电流。l 铅酸蓄电池最大的特点是价钱较低，支持 20C 以上的大电流放电20C 意味着 10Ah 的电池可以到达 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越 500 次 ，质量大，维护较困难，是一种优点和缺陷都很突出的电池。l 其突出的优点是大电流放电才干、没有记忆效应，可靠性

4、高；突出的缺陷是质量大，维护困难。为理处理由于电解液需求补充、维护困难的问题，人们开发了免维护铅酸蓄电池。 l 铅酸蓄电池曾经量产，可以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 l 镍镉电池是最早运用于手机、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、耐过充放电才干强、维护简单等优势。但其最致命的缺陷是，在充放电过程中假设处置不当，会出现严重的“记忆效应，使得电池容量和运用寿命大大缩短。l 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

5、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。l 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，其原理和构造类似，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 l 锂离子电池具有分量轻、容量大、无记忆效应等优点，因此得到了普遍运用如今的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，虽然其价钱相对来说比较贵锂离子电池与镍氢电池相比，分量较镍氢轻 3040%，能量比却高出 60。l 锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同分量的镍氢电池的1.52 倍，充放电次

6、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。l 锂离子电池的平安性：相对于铅酸蓄电池、镍氢电池等具备抗过充、过放电才干的电池，锂离子电池的充放电必需严厉小心。锂电池具有严厉的放电底限电压，通常为 2.5V，假设低于此电压继续放电，将严重影响电池的容量，甚至对电池呵斥不可恢复的损坏；另一方面，电池单元的充电截止电压必需限制在 4.2V 左右，假设过充，锂离子电池将会过热、漏气甚至发生猛烈的爆炸。因此，通常在运用锂离子电池组的时候必需配备专门的过充电、过放电维护电路。l 平衡充电：先恒流后恒压方式充电，保证100充溢电，由于是电池组串联，所以充

7、电时不能够保证别串联的电池每个都能发扬最好的才干。因此分别单独充电。蓄电池 之 锂离子/聚合物电池 蓄电池 之 优缺陷比较内容内容铅酸电池铅酸电池镍镉电池镍镉电池镍氢电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池锂聚合物电池锂聚合物电池能量密度30-50Wh/kg差35-40Wh/kg差60-80Wh/kg一般90-110Wh/kg较好100-130Wh/kg非常好放电能力非常好非常好较好较好较好可维护性非常好较好好一般较好放电曲线性能好好一般非常好较好循环寿命400-600次300-500次800-1000次500-600次500-600次安全性非常好较好较好一般较好价格低低较好高高记忆效应无严重较轻轻微

8、轻微 太阳能电池l 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资料参与一些不纯物使其呈现不同的性质，如参与硼可构成 P 型半导体，参与磷可构成 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，有电流经过时，那么产生电力。l 价钱较高、尺寸较大，分量较重。功率较低，即使光照条件理想，至少也需求 1-2平方米的太阳能电池板才干满足供电需求；l 运用环境受限制。必需在较强日光条件下才干产生足够电力。在室内或者夜间无法运用太阳能电池技术。l 太阳能电

9、池产生的电压、电流受光照条件影响，因此在挪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l 线性电源线性电源Linear power supply主要是针对开关电源来说的，指的是运用主要是针对开关电源来说的，指的是运用在其线性区域内运转的晶体管或在其线性区域内运转的晶体管或 FET 来进展稳压的电源。从输入电压中减去来进展稳压的电源。从输入电压中减去超额的电压，产生经过调理的输出电压。线性稳压器能坚持稳定输出额定电压超额的电压，产生经过调理的输出电压。线性稳压器能坚持稳定输出额定电压的原理均是在任务在线型区的晶体管电路中引入负反响，保证当输出电压过高的原理均是在任务在线型区的

10、晶体管电路中引入负反响，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。时能降低输出电压，当输出过低时提高输出电压。l LDO低亚降稳压器件：正输出电压的低亚降稳压器件：正输出电压的 LDO低压降稳压器通常运用功低压降稳压器通常运用功率晶体管也称为传送设备作为率晶体管也称为传送设备作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器。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，通常为可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，运用左右；与之相比，运用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降电压为复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降电压为 2V 左右

11、。压降电压：是指左右。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之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。压差额的最小值。 l 78xx/79xx 系列三端稳压器件是最常用的线性降压型系列三端稳压器件是最常用的线性降压型 DC/DC 转换器。转换器。l 1输入输出压差不能太大，太大那么转换效率急速降低，而且容易击穿损输入输出压差不能太大，太大那么转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；坏； l 2输出电流不能太大，输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸

12、要足够大，否那么会导致高温维护或热击穿；足够大，否那么会导致高温维护或热击穿； l 3输入输出压差也不能太小输入输出压差也不能太小,大小效率很差。大小效率很差。 l 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：可以根据以下的公式粗略估算： Pd =(VinVout) * Iout 开关稳压电源l 开关电源是经过电力电子技术控制开关管开关电源是

13、经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，开关电源普通由脉冲宽度压的一种电源，开关电源普通由脉冲宽度调制调制PWMPWM控制控制ICIC和和MOSFETMOSFET构成。关电构成。关电源任务效率高，普通可到达源任务效率高，普通可到达 80 80以上。以上。l 运用开关电源稳压芯片要留意电感和电容运用开关电源稳压芯片要留意电感和电容参数的选择；参数的选择；l 留意开关电源电路的纹波处置。留意开关电源电路的纹波处置。 3.低功耗系统设计l 低功耗设计并不仅仅是为了省电；l 降低了电源模块及散热系统的本钱；l 方便产品的小型化；l

14、 延伸了挪动设备电池的任务时间；l 由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰；l 随着设备温度的降低，器件寿命那么相应的得到延伸半导体器件的任务温度每提高10度，寿命那么缩短一半。 1、 降低功耗从MCU选型开场开场选型的时候就应该思索选择低功耗的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可以明显的降低器件的耗电比如说ATmega8 和 ATmega88， 虽然芯片大致内部构造一致但是后者可以任务在 1.8V 的超低电压下，而前者就不行。 3、尽量降低器件的任务频率CMOS电路的任务电流主要来自开关转换时对后一级输入端的电容充放电，假设可

15、以降低 MCU 的任务频率自然耗电也就下来了，AVR 的CPU任务在 32.768KHz 时和任务在 20MHz 时的任务电流差别有几十倍大。 4、尽量运用 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需几十个毫欧，在小电流的时候器件本身发热也小， 尤其是小电流是效率远比传统晶体管要高的多。建议运用高速 VMOS，由于高速 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、尽量运用中断让处置器进入更深的睡眠睡眠方式和掉电方式可以大大的降低 MCU 的任务电流，

16、要充分的利用 MCU 的中断功能让 MCU 周期性的任务和睡眠从而大大的降低 MCU 的任务电流。 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，所以在它不任务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任务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， 所以应尽能够运用 CS来控制芯片，并且在满足其它要求的情况下尽能够缩短片选脉冲的宽度。 7、运用 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

17、电阻上面的功耗，假设用户运用的是电池，还可以不定期的对电池电压进展检测然后改动占空比，从而恒定负载上面的电压，到达电源的最大利用率。 8、慎用信号的上拉或下拉电阻，信号需求上下拉的缘由很多，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， 如今的系统经常是地址数据各 32 位，能够还有 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 口处置。不用的 I/O口假设悬空的话，受外界的一点点干扰就能够成为反复振荡的输入信号了。而 MOS

18、 器件的功耗根本取决于门电路的翻转次数。假设把它上拉的话，每个引脚也会有微安级的电流，所以最好的方法是设成输出，当然外面不能接其它有驱动的信号。 11、FGPA 的功耗控制。FGPA 的功耗与被运用的触发器数量及其翻转次数成正比，所以同一型号的 FPGA 在不同电路不同时辰的功耗能够相差 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，假设软件能减少外存的访问次数，多运用存放器变量、多运用内部Cache，及时呼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详细硬件所

19、采取的特定措施都将对降低功耗作出很大的奉献。 13、 尽量封锁 MCU 内部不用的资源比如 ATmega8 内部的模拟比较器，默许是开着的，还有 ATmega88 内部的大多数资源都可以在不用的时候用软件封锁。 低功耗系统设计方案硬件篇 14、硬件软件化只需是硬件电路，必然耗费功率。将一些信号抗干扰处置、滤波等任务改为用软件来实现。 15、采用快速的算法数字信号处置中的运算，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，运用简单函数替代复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法。 16、中高通讯系统的波特率在多机通讯中，经过对通讯模块的合理设计，尽量地提高传送的

20、波特率。提高通讯速率，意味着通讯时间的缩短。发送、接纳均应采用外部中断处置方式，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转换需求耗费功率，采集的速度快，那么耗费的功率多。产生的数据量大，处置数据需求大量的CPU时间，耗费功率数据处置，抗干扰处置等。多运用中断方式进展数据采集，防止运用查询的方式。18、LED采用静态显示方式静态：需求的电路多，电路耗费功率较少；动态：需求软件刷新扫描，刷新操作耗费功率。综合计算，选择方案低功耗系统设计方案软件篇 l 通常条件下，热量的传送包括传导、 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送，对

21、流是借助流体的流动传送热量，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。l 器件的散热方式常见的有风冷、 水冷、 散热器衔接等。在电子电路设计过程中，通常采用发热功率器件和散热器严密衔接的散热方式，但是采用散热器和风扇并用的散热方式也比较多见。散热器经过和芯片外表的严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，它的充分扩展的外表使热量辐射大大添加；同时，流通的空气也能带走尽能够多的热量，来降低任务电路周围的环境温度。有些散热器的外表经电泳涂漆或黑色氧极化处置 ,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，普通从以下几个方面来

22、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. 印制板的构造1印制板的尺寸；2印制板的资料。3. 印制板的安装方式1安装方式如垂直安装，程度安装；2密封情况和离机壳的间隔。4 .热辐射1印制板外表辐射系数；2印制板与相邻外表之间的温差和他们的绝对温度；5 .热传导1安装散热器；2其他安装构造件的传导。6 .热对流1自然对流；2强迫冷却对流。 从PCB上述各要素的分析是处理印制板的温升的有效途径，往往在一个系统中这些要素是相互关联和依赖的，大多数要素应根据实践情况来分析。PCB 电路板散热设计 1. 1. 高发热器件加散热器、导热板高发热器件加散热器、导热板当当PCB

23、PCB中有少数器件发热量较大时中有少数器件发热量较大时( (少于少于3 3个个) )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加强散热效果。风扇的散热器以加强散热效果。 当发热器件量较多时当发热器件量较多时( (多于多于3 3个个) )，可采用大的散热罩，可采用大的散热罩( (板板) )，它是按，它是按PCBPCB板上发热器件的位置和高低而定制的板上发热器件的位置和高低而定制的公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，与每个公用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元

24、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。变导热垫来改善散热效果。 2. 2. 经过经过PCBPCB板本身散热板本身散热 PCBPCB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。由于散热性差。由于QFPQFP、BGABGA等外表安装元件的大量运用，

25、元器件产生的热量大量地传给等外表安装元件的大量运用，元器件产生的热量大量地传给PCBPCB板，因此，处理散板，因此，处理散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PCBPCB本身的散热才干，经过本身的散热才干，经过PCBPCB板传导出去或分发出去。而铜箔板传导出去或分发出去。而铜箔线路和孔是热的良导体，因此提高铜箔剩余率和添加导热孔是散热的主要手段。线路和孔是热的良导体，因此提高铜箔剩余率和添加导热孔是散热的主要手段。3. 3. 对于采用自在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陈列，或按横长方式对于采用自在对流空气冷却的设备，最好是将集成

26、电路或其他器件按纵长方式陈列，或按横长方式陈列。陈列。 4. 4. 同一块印制板上的器件应尽能够按其发热量大小及散热程度分区陈列同一块印制板上的器件应尽能够按其发热量大小及散热程度分区陈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 气流的最上流气流的最上流入口处；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。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. 5. 在程度方向上，大功率器件尽量接近印制板边沿布置，以便缩短传热

27、途径；在程度方向上，大功率器件尽量接近印制板边沿布置，以便缩短传热途径； 在垂直方向上，大功率器件尽量接近印制板上方布置，以便减少这些器件任务时对其他器件温度的影响。在垂直方向上，大功率器件尽量接近印制板上方布置，以便减少这些器件任务时对其他器件温度的影响。 PCB 电路板散热设计详细散热方法1 7. 对温度比较敏感的器件最好安顿在温度最低的区域如设备的底部。 千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在程度面上交错规划。 8. 设备内印制板的散热主要依托空气流动。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要防止在某个区域留有较大的空域。 9. 防止PCB上热点的集中，尽能够地将功率均匀地分布在