系统电源设计与应用

     电源系统的设计对于电子设计人员来说是极大的挑战｡他们要利用有限的资源和空间在短时间内设计出灵活､高效､可靠和具有竞争力的电源系统｡模块电源(或称电源模块)是目前设计人员的最好选择｡以模块式电源取代分立元件设计方案,好比用微处理器件代替集成电路｡它可更灵活､更快捷地完成系统设计及开发,缩短开发或更改设计所花费的时间,节省人力及技术投资｡目前,国内朝阳市电源有限公司､北京新雷能有限公司､上海福音电子模块厂已有模块电源生产｡开关电源的可靠性对于整个系统的性能起着至关重要的作用｡在开发个系统时,如果最后才设计电源的话,往往会导致成本增加､可靠性下降｡一开始就将电源集成在系统中来进行整体设计,就能节约开支和时间,提高产品的质量｡设计和选择电源时应认真考虑配电方案､布局､接地回路等,以实现对负载端良好的供电,达到高电压调整精度和低噪音,同时避免系统中电路之间的干扰､振荡以及过热等问题的出现｡下面将对电源的特性正确的选择和使用等问题进行阐述。

     随着微电子技术的不断进步,超大规模集成电路不断涌现,微处理器及其外围芯片也了迅速的发展｡微电子技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片,如程序存储器､数据存储器､并行及串行1/O接口､定时器/计数器､中断控制器等部件集成在一个芯片里,制造成单片计算机(简称单片机)( single-chip Microcomputer)。

      近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元,如A/D及D/A转换器､调制解调器､通信控制器､锁相环､DMA､浮点运算单元等｡这样,只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统,如工业控制系统､数据采集系统､自动测试系统､智能仪表､智能接口及功能模块等,而系统电源设计是单片机所有功能得到充分发挥的重要｡

      系统电源设计是应用系统设计中的一项极其重要的工作,它对整个系统是否正常运行起着至关重要的作用｡电源设计时应该同时考虑功率､电平及抗干扰等问题,电源功率必须能满足全系统的需要｡系统的绝大多数器件以脉冲方式工作,对于较小的系统,功率消耗的脉冲特性更为突出,而较大的系统由于器件功耗的分散性,使得系统整体的功率消耗比较平稳｡因此,单片机系统的电源必须有足够的耐冲击性,这就要求电源设计时留有充分的裕量,一般大系统按实际功率消耗的1.5~2倍设计,小系统按实际功率消耗的2~3倍设计｡

电平设计指的是直流电压幅度和电源在最不利(满载)情况下的纹波电压峰一峰值设计这两项指标都关系到单片机系统能否实现正常运行,因此必须按系统中对电平要求最高的器件进行设计｡

      分布式电源设计技术是应用系统和现代电子电路系统中最常使用的一种电源技术｡所谓分布式电源是指系统中不同部件的电源相对独立,必要时还可采用完全电隔离技术｡分布式电源使电源功率分散,这对降低电源成本､提高电源效率､减少纹波系数､提高电源稳定度都有利。

分布式供电电源系统的设计应遵循“三分离”原则:系统中大功率部分和小功率部分分离。高频部分和低频部分分离;精密电路和一般电路分离｡

      便携式和节能要求高的电源系统的一大特点是自身能耗低,因此被广泛地用于便携式电子设备中｡便携系统对电源的要求与其他系统的不同之处在于:

      ①要求在允许的有效使用期间内输出电压､电流均能满足系统正常工作的要求

      ②电源种类越少越好

      ③更换容易或有充电功能｡

        解决这些问题是便携式单片机系统电源设计的主要任务｡在实际设计系统电源时可采取以下措施保证系统电源正常工作:

        ①合理选择系统电路,尽量降低系统功耗｡这是一个十分重要而又不易引起注意的问  题｡一般地说,人们设计应用系统时最容易忽视的一个问题就是功率损耗设计｡对一般系来说这并不算大问题,但对大系统､特大系统(例如千门以上的程控交换机､大型建筑的保安控制系统)以及便携式系统来说,能耗就是一个大问题｡因此在这种系统的设计中要始终考虑功率消耗问题,设计中也应把功率消耗作为具体指标,特别是便携式单片机系统,功率消耗对设计能否达到指标有着决定性的意义。

        ②采用高能电池和低耗高效的高性能稳压电路｡当系统功率消耗的指标确定之后,系统电源的指标(确切地说是系统电池的安时数)也就确定了｡对便携式系统有时是采用与此相反的做法,先确定电池,再根据电池的安时数设计系统电路｡因此,选择高能电池是系统电源设计的基本指标｡目前多用镉镍电池或高能碱性电池作为便携式系统的电源｡为确保系统在规定的时间内电源电压能满足使用要求,除要求系统集成电路芯片能适应一定的电压变化范围外,一般还要求电源采取一定的稳压措施,并有电源监视报警电路

        ③选择电源要求用一致的芯片组成系统,以减少系统电源种类｡