电源设计01

本文主要是介绍电源设计01，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

嵌入式电源设计

电池容量的计算
- 电路充电时的选择：
科普硬件知识，写写关于电路板电源的事情。
- 各类电源模块实物
- 但为什么硬件工程师又必须要了解电源并且在板内自己设计电源呢？
- 首先是DCDC的降压芯片
- 下面推荐几个升压芯片：
- LDO

电池容量的计算

1kwh=3.6*10^6J，和电源的毫安时，要配上瓦数

电路充电时的选择：

高压小电流：高压快充对线材要求不大，但是会发热，兼容性好；大电流快充充电效率高，线材明显更粗，需要定制充电线等配件，价格高兼容性较差。

低压大电流：核心要点是在较低的电压下（5V或者更低）让电流从充电器端直接输入手机的电池中，免去了在手机内部高低压转换（手机内置锂离子电池的电压一般为3.8V-4.2V左右）的过程，从而提高效率降低发热，配合实时监测温度的传感器，安全性方面往往也更有优势；

科普硬件知识，写写关于电路板电源的事情。

众所周知，所有电子产品都需要消耗电能，固定设备一般通过220V交流电进行供电，便携设备一般通过电池供电，虽然供电方式不同，但电子产品的内部器件和芯片大多都使用非常低的电压作为供电电源，比如5V、3.3V、1.8V、1.5V、1.2V、1V等，因此几乎所有的电子设备的都需要电源。
从字面意义上来说，电源指的是“将其它形式的能转换成电能的装置”，这基本上只能包括电池和发电机了，但实际上人们常说的电源，一般是指“电压、电流转换器”，即实现交流-直流转换、高压-低压转换的功能模块。

各类电源模块实物

人们最常见到的电源就是各种家用电器的交流220V转低压直流电的电源模块了，如下图。
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如果你接触过一些电气设备，或者拆解过一些大型的电器，那可能会见到过这样的电源模块。

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不带壳

带壳

如果你还拆解过一些工业设备，你还能看到这样的电源模块。
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板上直插焊接的

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板上贴片焊接

上面这些电源模块，前面3张图片的是独立在电路板外的，后面2张图片的则是焊接在电路板上的，它们形形色色、各种各样，有非常多的电源厂家生产不同类型、规格和型号的电源。
那作为一个硬件工程师，需要了解些什么呢？
我认为知道这2点比较关键。
1、有哪些常见的电源方案，板外的和板内的，电源模块和电源芯片，隔离和不隔离，DCDC和LDO等等
2、除了直接购买电源模块，如何低成本的搭建自己的板上电源

对于第一个问题，我觉得直接拿知名厂商的产品分类给大家看看就知道了。
以明纬为例，他们官网对自己产品的分类是这样的。首先是三大基础分类：交流-直流、直流-直流、直流-交流，各自的分类下，次级分类如下图所示。
交流-直流

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直流-直流

直流-交流
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再来看看台达的电源，台达的业务范围非常广，所以对电源相关的分类也复杂一些，一级分类如下。

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二级分类里，嵌入式电源的分类如下。

三级分类

开关电源
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模块电源
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照明相关的电源

台达还有汽车相关的电源产品以及平板、手机充电器等产品，足可见其业务范围之广泛。

再看一个日本厂商，村田（murata）的分类。
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最后看一下国内厂商，金升阳的分类
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看了上面比较有代表性的电源厂家的产品，大家应该就知道，几乎所有的电源产品，交流转直流、直流转直流、高压转低压、低压转高压、隔离的、非隔离的、塑料壳、金属壳、带线缆的、带卡扣的、板载的、焊接的，你都能直接购买到。
所以，对于一个硬件工程师，从理论上来讲，是可以不自己搭建电源的，买好合适的模块化的电源，从板外供电到板内，板内再焊接一个低压电源就可以了。

但为什么硬件工程师又必须要了解电源并且在板内自己设计电源呢？

1、模块化的电源不便宜，自己搭建的板内电源成本低很多
2、相同的功率，电压越低，电流约大，导线上损耗的电压和功率越大，对于低压器件来说，电压不准确是不可接受的
3、对于硬件系统来说，上下电的顺序是有严格要求的，芯片的IO电压、核电压、模拟电压，谁先上电、谁先下电，都必须遵循严格的要求
4、上电和下电的速度也必须要快，不可以在中间电压持续过长的时间
5、电流变化时电压的响应速率要快，如果是板外电源，由于线缆的寄生电感和电容的存在，无法做到迅速响应

总之，板内电源是必须的，既是工程技术原因也是成本原因。
所以，终于讲到这篇文章的核心目的了，就是给大家推荐一些常见的好用的板内电源方案，主要是给小白们看看，多几种选择。
在进行方案推荐之前，先给大家介绍一下电源芯片的生产商。
1、Texas Instruments，TI的各种芯片非常丰富，资料也非常详尽，尤其是他家有个在线的Web bench，可以按照你的电压电流需求，直接给出芯片选型、原理图、BOM，还能帮你计算成本、效率，非常好用

https://webench.ti.com/power-designer/switching-regulator

2、ADI，Anolog Devices
https://www.analog.com/cn/index.html

3、MPS，Monolithic Power Systems
https://www.monolithicpower.cn/cn/?_gl=1iefeal_gaMTI4Mjc4Mzg5Ny4xNzE1MTI5NDQ1_ga_XNRPF6L9DD*MTcxNTkxMDcxOC4yLjAuMTcxNTkxMDcxOC42MC4wLjA.&_ga=2.248436687.973035074.1715910719-1282783897.1715129445

就介绍3个吧，多了也没啥区别，生产电源芯片的厂家非常多，如果是初学者，在TI上随便用就行了，如果是专业人士，一般还是看渠道的价格来决定用哪家的。
电源芯片的分类也有好几种，首先是LDO、DCDC、ACDC，DCDC和ADDC里根据拓扑的不同又会分成好几种，DCDC里常见的就是buck和boost。
如果是ACDC，一般是220V的交流电压输入，这种情况不太建议新手自己搭建电路，因为涉及到市电总归还是比较危险的，成品会直接接入电网，有任何疏漏都会非常容易出问题，跳闸、烧板子、炸器件，甚至是漏电、触电。
推荐大家自己做低压的DCDC或LDO，市电部分还是用采购的电源模块更好，如果你是电源相关的专业人士，那这篇文章就帮不到你什么了。
在DCDC里，电源芯片一般分成controller和converter，区别在于开关管是否在芯片内部，如果开关管在外部，搭建电路时就还需要加入一个MOSFET。
正式开始推荐~

首先是DCDC的降压芯片

1、 TPS54541，输入电压4.5V到42V，输出电压可设置为0.8V到41V，最大输出电流5A

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2、TPS54140，输入电压3.5V到42V，输出电压可设置为0.8V到39V，最大输出电流1.5A

3、TLV62569，输入电压2.5V-5.5V，输出电压最低0.6V、最高到输入电压，最大输出电流2A，芯片的体积很小，3mm x 3mm，原理图里最大的就成了电感和电容了
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4、MP2451，输入电压3.3V到36V，输出电压最低0.8V、最高0.8倍输入电压，最大输出电流0.6A

5、MP2269，输入电压3.3V到30V，输出电压最低0.8V，最大输出电流1A，这个片子非常小，2mm x 3mm

6、LTC3370，这个芯片比较有意思，有4路输出，非常适合不同电压需求比较多的系统。输入3.3V或5V，输出最低0.8V，最高跟输入电压一样，最大输出电流总共8A，可以给4路各自分配0-4A，非常灵活。
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上面的都是降压的DCDC，也就是buck，下面推荐几个boost（升压芯片），用到升压芯片的常见应用场景我知道这几个，电池供电的系统、液晶屏的背光的电源、运放的参考电压。
锂电池的最小单元电压一般都是1.7v上下，常见的电子元器件都是5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、1V这些电压供电，很多情况都没法直接用电池供电，因此在电池供电的系统里，一般都是将电池电压先用boost升压到5V，然后再通过5V逐级降压输出各个需求的低电压，这样既能满足所有的电源需求，也能使电池能在很宽的电压范围内工作。
液晶屏背光和运放则不太相同，因为电子系统一般5V或3.3V供电，液晶屏背光和运放的需求电压则会高很多，比如30V、20V、10V这种级别，这种时候使用一个降压DCDC就要求系统供电电源是很高的电压，这反而不太现实，因此这种应用场景就必须使用boost电路了。

下面推荐几个升压芯片：

1、TPS61085A，输入电压2.3V到6V，输出电压2.8V到18.5V
boost芯片的参数里，有一个跟buck有很大的区别，就是输出电流，boost的原理决定了其输出电流分为充电和放电两个阶段，充放电是否连续、占空比的大小、等效负载电阻的大小，共同决定了输出电压和电流的大小，因此boost芯片根据输入和输出电压的不同，其连续输出电流值是不同的，因此只有“开关电流”这个参数能用于大致的估计，这个参数如何估计和计算，对新手来说还是太复杂了，建议大家直接通过datasheet中的图表确认其实际的电流输出能力。
下图是TPS61085A芯片的datasheet中的图表，这个芯片的最大输入电压6V，可以看到横轴最右侧的纵坐标，就是各电压下的最大输出负载电流了，9V时1.6A、18.5V时0.6A。

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2、TPS61390，输入电压2.5 V to 5.5 V，输出电压最高85V

PT4110，这是安富莱电子的开发板用过的一颗料，用于LED背光的升压芯片，已经不太容易买到这颗料了

4、TPS61040，这是正点原子开发板用过的一颗料，也是LCD屏背光的升压芯片，在LCD屏的应用中，有一个很有意思的电路，如下图
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输入电压5V，boost输出电压10.4V，用于LCD背光二极管电源，但这个电路用了二极管和电容搭建了类似于自举电容的电路，利用了boost输出的方波电压，同时产生了2倍的10.4V和-10.4V，再加上特定电压值的稳压二极管，即可得到LCD屏需要的16V和-7V。
有些LCD屏需要外部提供VGH和VGL电源，如果用常规的DCDC去生成这2个功率需求很小的电压则非常的浪费成本和空间，因此使用类似的电容和二极管钳位来生成电压，真的是很有意思。

5、CAT4237，野火开发板的液晶屏背光的升压芯片，安森美的产品
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以上的就是我对buck和boost的推荐了，只是给大家看看有哪些芯片可以用，帮助小白们了解关于电源的入门信息。
如果要做产品的话，我建议要么照着成熟的原理图直接做，保证可靠性，要么根据渠道商的报价来选择芯片，保证性价比，当然使用前一定要仔细阅读datasheet，确认各项性能满足需求。

LDO

很多初学硬件的同学都看到过LM1117或AMS1117这2款LDO，LM1117可以说应用非常广泛，它自身的特性也很适合小功率场合下的电源转换。
1、LM1117，输入电压2.6V到15V，输出电压1.25V到13.8V，最大输出电流0.8A，还有固定电压输出的版本，1.8V, 2.5V, 3.3V, 5V，如果使用固定电压输出的版本，原理图非常简单，只要2个电容一个芯片就可以了。
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可变电压输出

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固定电压输出

LDO如此简单的电路图，使得在小功率场合的电源需求非常青睐它，但由于LDO自身的原理，使得降压部分的功率会完全转化为热能，也就同时限制了LDO只能用于小功率的应用。
电池供电的电子产品也很少会使用LDO，既是因为散热，也是因为效率，如果凭空消耗电能在LDO的发热上，续航会成为很大的问题。
2、LY1117A，参数类似于LM1117，LY1117A是国内一家“LIANYI”的生产商的LDO，相比于LM1117，这个片子的优势在于便宜，非常便宜，3毛钱一个，TI的LM1117如果想买正品，贸泽上的阶梯报价的话，买250个的单价都要6元，所以这优势是不是巨大。。。
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3、GM6155，安富莱开发板上使用的LDO

4、CAT6219，正点原子的开发板上使用的LDO

LDO使用起来非常简单，电压、电流、纹波、发热等参数匹配，直接使用就可以了，如果是初学者，随便购买都可以，如果是设计产品，则优先考虑成本，以及渠道是否方便采购。