硬件设计学习DAY1——电源的分类
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目录
一、 主要电源转换类型
1.1AC/DC:
1.2DC/DC:
1.3DC/AC:
二、 DC/DC 的详细分类
2.1线性电源（LDO）：
2.2开关电源：
2.2.1非隔离型:（输入与输出之间没有电气隔离，共地）
2.2.1.1电感方式： (即 DC/DC)
2.2.1.2电容方式： (即 电荷泵 Charge Pump)
2.2.2隔离型:
三.AC/DC与DC/DC电源的区别与特点
3.1AC/DC电源
3.2DC/DC电源
3.3关键区别
四.线性电源与开关电源的核心区别
4.1线性电源
4.2开关电源
4.3关键特性对比
4.4典型应用场景
五.普通电源和特种电源
5.1普通电源的分类及特点
5.2特种电源的分类及特点
5.3普通电源与特种电源的核心区别
六.隔离电源与非隔离电源的概念
6.1隔离电源的特点
6.2非隔离电源的特点
6.3选型建议
6.3.1选择隔离电源的场景
6.3.2选择非隔离电源的场景
6.3.3典型方案举例
6.4设计注意事项
6.4.1隔离电源
6.4.2非隔离电源
七.开关电源控制技术对比
7.1关键性能差异
7.2应用选择建议
八.电荷泵的基本概念
8.1工作原理
8.2工作模式
8.3性能优化
8.4优势与局限
九.正激与反激开关电源的区别
9.1工作原理差异
9.2电路结构特点
9.3工作模式与适用场景
9.4磁芯处理方式
9.5关键总结
一、 主要电源转换类型
1.1AC/DC:
交流电转直流电（例如手机充电器、电脑电源适配器）。
1.2DC/DC:
直流电到直流电的变换（电压、电流或极性的改变）。
1.3DC/AC:
直流电转交流电（例如逆变器、太阳能发电系统的并网逆变器）。
二、 DC/DC 的详细分类
2.1线性电源（LDO）：
- 工作原理：通过调整线性器件（如晶体管）的工作点来改变其等效电阻，实现降压。
- 特点：结构简单、噪声低（纹波小）、效率相对较低（尤其压差大时）、发热大。
2.2开关电源：
- 工作原理：通过功率半导体器件（开关管）的快速通断，结合储能元件（电感L、电容C）进行能量传递和转换，最终实现所需电压。
- 特点：效率高（一般可达80%-95%或更高）、体积相对小、设计更复杂、可能产生电磁干扰（EMI）
2.2.1非隔离型:（输入与输出之间没有电气隔离，共地）
2.2.1.1电感方式： (即 DC/DC)
- 拓扑结构 (基础功能)：
- 降压 (Buck Converter)
- 升压 (Boost Converter)
- 升降压/反转 (Buck-Boost / Inverting Converter) (兼具降压/升压或实现电压极性反转功能)
- 控制/实现方式：
- 控制器：
- 工作模式： PWM (脉宽调制), PFM (脉冲频率调制), PWM/PFM (混合模式)。
- （常用于需要外部功率MOSFET的应用）
- 转换器：
- 整流方式： 二极管整流, 同步整流 (用MOSFET替代二极管以提高效率)。
- 工作模式： PWM, PFM, PWM/PFM。
- （通常指集成开关管的单片解决方案）
2.2.1.2电容方式： (即 电荷泵 Charge Pump)
- 拓扑结构 (基础功能)：
- 降压 (Buck)
- 升压 (Boost)
- 反转 (Inverting)
- 实现方式：
- 转换器：
- （依靠电容的充放电实现电压变换）
2.2.2隔离型:
- 原理：利用变压器实现输入与输出之间的电气隔离（提供安全性和抗干扰性）。
- 常见拓扑：反激式 (Flyback), 正激式 (Forward), 推挽式 (Push-Pull), 半桥 (Half-Bridge), 全桥 (Full-Bridge) 等。
- 也广泛使用 PWM/PFM 等调制方式。
三.AC/DC与DC/DC电源的区别与特点
3.1AC/DC电源
AC/DC电源是将交流电转换为直流电的开关电源，通常称为一次电源。其工作原理是通过高压整流滤波获得直流高压，再由DC/DC变换器输出稳定的直流电压。功率范围广泛，从几瓦到几千瓦不等，适用于不同场景。AC/DC的功率流向可以是双向的，整流时功率流向负载，有源逆变时功率流回电源。
由于输入为50/60Hz交流电，AC/DC电源必须经过整流和滤波，因此需要体积较大的滤波电容器。同时，为满足安全标准（如UL、CCEE）和EMC指令（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧需添加EMC滤波电路并使用符合安全标准的元件，这使得AC/DC电源的体积难以进一步小型化。
3.2DC/DC电源
DC/DC电源是将直流电转换为直流电的电源。广义上，任何直流转直流的电源都可以称为DC/DC，包括LDO（低压差线性稳压器）。但通常约定俗成的定义是：仅将通过开关方式实现的直流转直流电源称为DC/DC电源。
DC/DC电源的核心特点是高效和灵活，能够实现升压、降压或电压反转等功能。其体积通常较小，适合高密度电路设计。常见的DC/DC拓扑结构包括Buck（降压）、Boost（升压）和Buck-Boost（升降压）等。
3.3关键区别
- 输入类型：AC/DC输入为交流电，DC/DC输入为直流电。
- 电路复杂度：AC/DC需要整流滤波和EMC设计，DC/DC通常更简洁。
- 体积限制：AC/DC因滤波和安全要求体积较大，DC/DC更易小型化。
- 应用场景：AC/DC用于从电网取电的设备，DC/DC用于电池或直流供电系统。
两种电源在电子设备中常协同工作，AC/DC提供初级直流电压，DC/DC进一步调整电压以满足不同模块需求。
四.线性电源与开关电源的核心区别
4.1线性电源
- 调整管持续工作在放大区，通过消耗多余电压（压降×电流）来稳定输出。这种方式导致效率较低（通常30%-60%），发热严重需配备大型散热片。AC/DC转换依赖工频变压器，体积和重量较大，但输出纹波极小（<5mV），适合高精度电路如音频设备、传感器供电。
4.2开关电源
- 调整管快速切换饱和/截止状态（高频开关），通过调节占空比控制输出电压。效率高（可达80%-95%），发热少，无需大散热片。省去工频变压器，体积小巧。但输出存在高频纹波（约50mV）和开关噪声，需额外滤波（如磁珠、稳压管）。支持升压、降压及升降压拓扑（如Buck、Boost电路），适用场景更广。
4.3关键特性对比
特性 线性电源 开关电源 效率 低（压降越大效率越低） 高（与输入输出电压差无关） 体积/重量 大（需变压器和散热片） 小（高频变压器，无大散热片） 纹波噪声 极小（5mV以下） 较大（需额外滤波） 拓扑灵活性 仅降压 支持升降压、反激等多种拓扑 成本 低压差时成本较低 高压差时更经济 4.4典型应用场景
- 线性电源：精密仪器、低噪声射频电路、医疗设备。
- 开关电源：消费电子产品、工业电源、LED驱动。
五.普通电源和特种电源
5.1普通电源的分类及特点
- PC电源：专为个人电脑设计，提供稳定的直流电输出，通常为12V、5V、3.3V等电压。
- 整流电源：将交流电转换为直流电，常用于电子设备供电或电池充电。
- 定制电源：根据客户需求设计的非标准电源，满足特定设备的供电要求。
- 加热电源：专为加热设备（如电炉、工业加热器）提供高功率输出的电源。
- 焊接电源/电弧电源：用于焊接设备，提供高电流输出以维持电弧稳定。
- 电镀电源：为电镀工艺提供稳定的直流电，电流通常较大。
- 开关电源：通过高频开关技术转换电压，效率高、体积小，广泛用于电子设备。
- 逆变电源：将直流电转换为交流电，常用于太阳能系统或不间断电源。
- 交流稳压电源：稳定交流输出电压，防止电压波动影响设备运行。
- 直流稳压电源：提供稳定的直流输出电压，常用于实验室或精密设备。
- DC/DC电源：将一种直流电压转换为另一种直流电压，常用于车载或便携设备。
- 通信电源：专为通信设备设计，通常具备高可靠性和冗余设计。
- 模块电源：标准化设计的电源模块，便于集成到系统中。
- 变频电源：输出频率可调的交流电，用于测试或特定设备驱动。
- UPS电源：不间断电源，在主电源故障时提供临时电力。
- EPS应急电源：紧急情况下为关键设备提供电力，如消防系统。
- 净化电源：滤除电网中的噪声和干扰，提供纯净电力。
- 网络电源：为网络设备（如路由器、交换机）设计的专用电源。
- 电力操作电源：用于电力系统的控制和保护设备供电。
- 适配器电源：将交流电转换为设备所需的直流电，常见于笔记本电脑。
- 线性电源：通过线性调节输出电压，纹波小但效率较低。
- 电源控制器/驱动器：控制电源输出或直接驱动负载（如电机）。
- 功率电源：为大功率设备提供高电流输出。
- 其他普通电源：包括调压电源、变压器电源等通用或特殊用途电源。
5.2特种电源的分类及特点
- 岸电电源：为船舶靠岸时提供电力，替代船上发电机。
- 安防电源：专为安防系统（如摄像头、报警器）设计，具备高可靠性。
- 高压电源：输出数千伏至数万伏的高电压，用于科研或医疗设备。
- 医疗电源：满足医疗设备的安全和EMC标准，如绝缘和低漏电流。
- 军用电源：适应严苛环境（如高温、冲击），具备抗干扰能力。
- 航空航天电源：用于飞机或航天器，重量轻且耐极端条件。
- 激光电源：为激光器提供高稳定度脉冲或连续电流。
- 其他特种电源：如脉冲电源、核磁共振电源等特殊应用场景。
5.3普通电源与特种电源的核心区别
- 技术指标差异：特种电源可能在电压（如高压）、电流（如超大电流）、稳定度（如±0.1%）、动态响应（微秒级调整）或纹波（极低噪声）上有更高要求。
- 应用场景：普通电源用于常见电子设备，特种电源则针对特殊领域（如医疗、军工），需满足特定标准（如绝缘、抗辐射）。
- 设计复杂度：特种电源常需定制化设计，如激光电源需匹配脉冲波形，航空航天电源需轻量化与高可靠性兼顾。
六.隔离电源与非隔离电源的概念
- 隔离电源的输入回路与输出回路之间没有直接的电气连接，通过变压器或光耦等器件实现电气隔离，输入输出呈绝缘高阻态。隔离电源的典型结构包含变压器，能量通过磁场耦合传递。
- 非隔离电源的输入与输出之间存在直接电气连接，共用地线或共用部分电路。常见的非隔离结构如Buck、Boost等DC-DC拓扑，输入输出通过开关管和电感直接耦合。
6.1隔离电源的特点
- 安全性高
- 因输入输出完全隔离，可有效防止触电风险，适合人体直接接触的设备（如医疗设备）。隔离电压通常为1kV~4kV，符合安规标准。
- 抗干扰能力强
- 隔离设计切断地环路，减少共模噪声传导，适用于工业环境或长距离供电场景。
- 多路输出灵活
- 通过次级绕组可生成不同电压的输出，且各输出间相互隔离。
- 缺点
- 体积较大（需变压器）、成本较高、效率略低（变压器损耗）。
6.2非隔离电源的特点
- 体积小成本低
- 无需变压器，电路结构简单，适合紧凑型设计（如消费电子）。
- 效率高
- 直接能量传递路径，效率通常达95%以上（如同步Buck电路）。
- 设计复杂度低
- PCB布局和EMI处理相对简单。
- 缺点
- 存在共地干扰风险，不适用于高安全要求的场景；输入输出不隔离可能引发级联故障。
6.3选型建议
6.3.1选择隔离电源的场景
- 涉及AC市电输入（如AC/DC电源）
- 需要符合安规认证（如UL60950、IEC60601）
- 多子系统共地可能引发干扰（如工业控制）
- 高压与低压电路混合设计（如电动汽车BMS）
6.3.2选择非隔离电源的场景
- 电池供电的低压系统（如便携设备）
- 对成本和体积敏感（如IoT模块）
- 单一PCB板内局部电压转换（如3.3V转1.8V）
6.3.3典型方案举例
- 隔离方案：反激式（Flyback）、LLC谐振拓扑
- 非隔离方案：Buck、Boost、Buck-Bootst
6.4设计注意事项
6.4.1隔离电源
- 需预留变压器安全距离（Creepage/Clearance）
- 次级需加稳压反馈（如TL431+光耦）
- 注意Y电容选型以控制EMI
6.4.2非隔离电源
- 确保功率地路径低阻抗
- 敏感信号远离开关节点
- 输入输出加滤波电容抑制纹波
- 测试时需重点关注隔离耐压测试（Hi-Pot Test）和漏电流指标。
七.开关电源控制技术对比
PWM（脉冲宽度调制）
- 通过固定频率调节脉冲宽度（占空比）来控制输出电压。重负载时效率高，输出稳定，纹波较小，适合需要低噪声的场景。但轻负载时效率较低，因开关损耗固定。
PFM（脉冲频率调制）
- 通过可变频率调节脉冲数量（固定占空比）来控制输出电压。轻负载时效率高，因开关动作仅在需要时启动，静态功耗低。但输出纹波较大，频率不固定导致噪声滤波设计复杂。
PWM-PFM混合模式
- 结合两者优势：重负载用PWM保证稳定性，轻负载自动切换至PFM提升效率。适合负载变化大的应用（如便携设备），但控制电路设计更复杂。
7.1关键性能差异
效率
- PFM在轻负载时效率显著优于PWM；PWM在重负载时表现更稳定。混合模式平衡两者。
负载调节能力
- PWM的负载调节性能更好，输出电压更稳定；PFM在负载突变时响应较慢。
设计复杂度
- PWM电路简单，噪声易过滤；PFM需处理可变频率带来的EMI问题。混合模式需额外切换逻辑。
EMI与噪声
- PWM因固定频率，滤波设计简单；PFM的频谱分散，需更复杂的EMI抑制措施。
7.2应用选择建议
- 优先PWM：需低噪声、高功率输出场景（如工业设备）。
- 优先PFM：低功耗待机或电池供电设备（如IoT传感器）。
- 选择混合模式：负载波动大且对效率敏感的应用（如智能手机电源管理）。
八.电荷泵的基本概念
- 电荷泵是一种利用电容而非电感或变压器进行储能的DC-DC电压转换器。它通过开关网络控制电容的充放电来实现电压变换，常见于驱动手机背光LED或低功耗处理器。
8.1工作原理
- 电荷泵的核心是开关网络和电容组合。充电电容（C_pump）负责传输电荷，储能电容（C_out）储存电荷并稳定输出电压。开关网络在充电和放电状态间快速切换，通过电容的充放电实现能量转移。
8.2工作模式
- 电荷泵可通过配置实现三种功能：
- 逆变器：将正输入电压转换为负输出。
- 分路器：输出输入电压的一部分（如1/2或2/3）。
- 增压器：提供1.5倍或2倍增益。例如，单节锂电池（3.7V）在2倍模式下可驱动需要3.3V-4V的白光LED。
8.3性能优化
- 现代电荷泵通过两种方式优化输出：
- 线性调整：输出噪声低，但效率较低。
- 电荷泵调制：通过控制开关电阻提升效率，适合需要更大电流的场景。
8.4优势与局限
- 电荷泵无需电感，避免了磁场干扰，但电容切换时可能产生微小噪声。其效率高于LDO（低压差线性稳压器），且比感应降压调整器结构更简单。
九.正激与反激开关电源的区别
9.1工作原理差异
反激式：
- 开关管导通时，变压器原边储能，次级二极管截止，负载由输出电容供电。
- 开关管关断时，变压器次级释放能量，二极管导通，向负载和电容供电。
- 变压器兼具储能和电压转换功能，类似隔离型Buck-Boost电路。
正激式：
- 开关管导通时，变压器原边和次级同时工作，能量直接传递到负载。
- 开关管关断时，需通过磁复位电路（如复位绕组或双管结构）释放变压器励磁能量。
- 变压器仅用于电压转换，需外接续流电感和续流二极管维持输出。
9.2电路结构特点
反激式：
- 次级整流二极管负极直接接输出电容，无续流电感。
- 适合多路输出，能量按需分配，但需加气隙防止磁饱和。
正激式：
- 次级整流二极管后接续流电感，再连接输出电容。
- 单路输出性能稳定，多路输出时需每路独立电感，否则稳压精度差。
9.3工作模式与适用场景
- 反激式：通常工作在DCM（断续模式），功率因数高，适合中小功率（<200W），如充电器、适配器。
- 正激式：多工作在CCM（连续模式），动态响应好，适合中高功率（>100W），如工业电源、通信设备。
9.4磁芯处理方式
- 反激式：利用次级绕组电压自然复位磁芯，无需额外复位电路。
- 正激式：需主动复位（如复位绕组、RCD钳位或双管结构），防止磁饱和。
9.5关键总结
- 反激变压器储能，正激变压器仅变压。
- 反激适合多路输出且成本低，正激适合高功率稳定输出。
- 反激无需续流电感，正激必须添加。
