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实例分析嵌入式系统电源设计
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2017-10-27
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本文探讨便携嵌入式系统电源设计的注意事项以及设计中应遵循的准则。这些原则对任何具有强大功能且必须以电池供电的便携嵌入式系统电源设计都是有帮助的。根据本文描述的构造模块，读者可以为特定设计选择合适的器件以及设计策略。
为电源电路规定具体的功能和架构模块并非微不足道，这些工作直接影响到电池供电系统的工作时间。电源系统架构会因嵌入式产品和应用领域的不同而各异。下图是典型便携嵌入式系统中的电源方案。
下面我们分别定义图中每个组成部分的要求。假设该产品由电池组或外接电源供电。电源路径控制器的功能是当有多个电源时，负责切换至合适的电源。在某些设计中可能需要考虑包括新兴的USB和以太网供电（PoE）等供电方式。
电池保护电路保护电池免受过压、欠压、过热、过流及其它异常状况的损坏；专门的电池充电电路应在一旦有其它供电来源的情况就对电池进行充电；电量计电路连续监测电池电量状况，并为用户和电源管理软件提供电池状态信息。
系统可能需要多个DC-DC功率变换器。例如开关电源（SMPS）、LDO稳压器、电荷泵等。这些不同的变换器用于产品设计内所有可能的输入电源和所需的不同电压。
数字接口或硬件按钮控制器负责开启和关闭系统——有时也称软启动。在一些最近推出的功率变换器中，数字接口也可被用来微调各种变换器产生的输出电压。在具有功耗意识的电源设计中，这种微调是必需的。
高效电源的标准
在嵌入式应用中，电源效率并不限于传统的系统输出功率与系统输入功率之比这样一个定义。在嵌入式系统，高效电源方案应满足以下标准：1. 采用电池供电时，设备可长时间工作；2. 延长电池寿命（充放电次数）；3. 限制元器件和电池本身的温升；4. 提供集成软件智能，以使效率最大化。
事实上，没有单一的指导方针可以最大化电源方案的效率。不过，设计人员在开发电源系统时会考虑以下几点：电池寿命（充放电次数）取决于电池的充电特性；对锂离子电池来说，制造商通常建议遵循最优充电电流（恒流模式）和终止/预充电电流值。当设计充电器电路时，必须严格遵守这些规范。
电池管理
对于消费类电子产品，电池保护必须被视为基本特性，因为它与用户的人身安全息息相关。必须采取充分的措施检测电池的过压、欠压和温度；必须选用诸如温变电阻等合适的器件来确保无论在任何异常条件下，都能自动限制电流的大小；必须使用电量计。除了正常电量检测功能外，它还能确保电池安全。大部分电量计安装于电池上，可用于检测电池温度、放电电流等。
对于电源路径控制器，一个经常被忽略的问题是：当从一个电源切换到另一个时，无论时间多短，都不能在两者间形成回路。这可能需要额外的反向连接二极管或开关。同样，当采用其中一个电源供电时，该电源的电压不应通到另一个电源的输入端。
由于存在很多可用的功率变换器拓扑结构，所以正确选择电源变换器并非易事。一般来说，在需求高效率和大输出电流的场合，必须避免使用线性稳压器。
在采用开关电源的场合，设计人员应确保采用适当的拓扑（降压、升压、降压-升压，电荷泵，SEPIC等），以保证即使在电池电压下降到最低工作值的情况下，电源也能维持期望的输出电压，这有助于延长设备的工作时间。
对于降压变换器而言，同步变换器通常具有比异步变换器更高的效率。不过，这种架构选择在很大程度上取决于该变换器工作状态下所需的输出电流以及占空比。因此，采用同步变换器所带来的少许效率提升并不足以弥补所增加的成本。
用于滤除开关电源输出纹波的电感种类的不同通常会对变换器效率有不同影响。在各种电感选择中，低直流阻抗及在工作频率下具有低磁损耗的电感是首选。
热设计应与电气设计须夷不离。各个IC或无源器件的封装必须要能处理其正常工作状态下的发热问题。许多芯片制造商建议采用带过孔的热焊盘，并在PCB上采用大焊盘来更好地散热。紧凑型嵌入式产品通常没有添加风扇的空间，但必须考虑到PCB上的通风通道以及足够的散热措施。
本文小结
电源设计往往被当作纯粹的硬件设计。但是，为了得到高效的电源方案，设计人员需要为电源电路增加软件智能。软件控制的一些基本功能包括，检测由电源路径开关选择的是哪种电源；在电池供电时，对不需要的电路减少供电电流。
更精妙的电源管理软件还会包括其它参量，例如：系统运行的应用种类、最低外设要求、最慢时钟频率以及运行此应用所需的最低电压，并据此相应地控制电源输出、时钟发生器和接口IC的状态。
遵循上述经验规则可以显著提高便携式设备的电源性能。例如，一款典型的30W多输出电源方案的整体效率可高达85到90%。目前已多家集成电路制造商可提供一系列高集成度IC，具备上述各种功能。根据不同电源要求，一些应用可能需要单芯片方案，而另一些则可能采用分立模块。毕竟，在竞争激烈的嵌入式产品市场，电池寿命和设备工作时间是影响买方选择的关键因素。
图：典型便携嵌入式系统的电源管理方案。
为电源电路规定具体的功能和架构模块并非微不足道，这些工作直接影响到电池供电系统的工作时间。电源系统架构会因嵌入式产品和应用领域的不同而各异。下图是典型便携嵌入式系统中的电源方案。
下面我们分别定义图中每个组成部分的要求。假设该产品由电池组或外接电源供电。电源路径控制器的功能是当有多个电源时，负责切换至合适的电源。在某些设计中可能需要考虑包括新兴的USB和以太网供电（PoE）等供电方式。
电池保护电路保护电池免受过压、欠压、过热、过流及其它异常状况的损坏；专门的电池充电电路应在一旦有其它供电来源的情况就对电池进行充电；电量计电路连续监测电池电量状况，并为用户和电源管理软件提供电池状态信息。
系统可能需要多个DC-DC功率变换器。例如开关电源（SMPS）、LDO稳压器、电荷泵等。这些不同的变换器用于产品设计内所有可能的输入电源和所需的不同电压。
数字接口或硬件按钮控制器负责开启和关闭系统——有时也称软启动。在一些最近推出的功率变换器中，数字接口也可被用来微调各种变换器产生的输出电压。在具有功耗意识的电源设计中，这种微调是必需的。
高效电源的标准
在嵌入式应用中，电源效率并不限于传统的系统输出功率与系统输入功率之比这样一个定义。在嵌入式系统，高效电源方案应满足以下标准：1. 采用电池供电时，设备可长时间工作；2. 延长电池寿命（充放电次数）；3. 限制元器件和电池本身的温升；4. 提供集成软件智能，以使效率最大化。
事实上，没有单一的指导方针可以最大化电源方案的效率。不过，设计人员在开发电源系统时会考虑以下几点：电池寿命（充放电次数）取决于电池的充电特性；对锂离子电池来说，制造商通常建议遵循最优充电电流（恒流模式）和终止/预充电电流值。当设计充电器电路时，必须严格遵守这些规范。
电池管理
对于消费类电子产品，电池保护必须被视为基本特性，因为它与用户的人身安全息息相关。必须采取充分的措施检测电池的过压、欠压和温度；必须选用诸如温变电阻等合适的器件来确保无论在任何异常条件下，都能自动限制电流的大小；必须使用电量计。除了正常电量检测功能外，它还能确保电池安全。大部分电量计安装于电池上，可用于检测电池温度、放电电流等。
对于电源路径控制器，一个经常被忽略的问题是：当从一个电源切换到另一个时，无论时间多短，都不能在两者间形成回路。这可能需要额外的反向连接二极管或开关。同样，当采用其中一个电源供电时，该电源的电压不应通到另一个电源的输入端。
由于存在很多可用的功率变换器拓扑结构，所以正确选择电源变换器并非易事。一般来说，在需求高效率和大输出电流的场合，必须避免使用线性稳压器。
在采用开关电源的场合，设计人员应确保采用适当的拓扑（降压、升压、降压-升压，电荷泵，SEPIC等），以保证即使在电池电压下降到最低工作值的情况下，电源也能维持期望的输出电压，这有助于延长设备的工作时间。
对于降压变换器而言，同步变换器通常具有比异步变换器更高的效率。不过，这种架构选择在很大程度上取决于该变换器工作状态下所需的输出电流以及占空比。因此，采用同步变换器所带来的少许效率提升并不足以弥补所增加的成本。
用于滤除开关电源输出纹波的电感种类的不同通常会对变换器效率有不同影响。在各种电感选择中，低直流阻抗及在工作频率下具有低磁损耗的电感是首选。
热设计应与电气设计须夷不离。各个IC或无源器件的封装必须要能处理其正常工作状态下的发热问题。许多芯片制造商建议采用带过孔的热焊盘，并在PCB上采用大焊盘来更好地散热。紧凑型嵌入式产品通常没有添加风扇的空间，但必须考虑到PCB上的通风通道以及足够的散热措施。
本文小结
电源设计往往被当作纯粹的硬件设计。但是，为了得到高效的电源方案，设计人员需要为电源电路增加软件智能。软件控制的一些基本功能包括，检测由电源路径开关选择的是哪种电源；在电池供电时，对不需要的电路减少供电电流。
更精妙的电源管理软件还会包括其它参量，例如：系统运行的应用种类、最低外设要求、最慢时钟频率以及运行此应用所需的最低电压，并据此相应地控制电源输出、时钟发生器和接口IC的状态。
遵循上述经验规则可以显著提高便携式设备的电源性能。例如，一款典型的30W多输出电源方案的整体效率可高达85到90%。目前已多家集成电路制造商可提供一系列高集成度IC，具备上述各种功能。根据不同电源要求，一些应用可能需要单芯片方案，而另一些则可能采用分立模块。毕竟，在竞争激烈的嵌入式产品市场，电池寿命和设备工作时间是影响买方选择的关键因素。
图：典型便携嵌入式系统的电源管理方案。
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