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应用方案
提供电力
2022/12/8 16:24:13

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电子元件如何供电

你有没有想过,你的智能手机、笔记本电脑或智能家居设备究竟是如何获取电力的?墙上插座、USB 端口或电池的电能是如何转化为维持芯片、传感器和 LED 工作的稳定电力的?今天,我们将用最简单的方式,向你展示电子元件是如何供电的。

电池供电

当你拿起手机或手电筒时,第一个电源就是电池。这可能是你手机里的锂离子电池组,也可能是手电筒里的铅酸电池。
电池内部的电池管理 IC 负责充电、防止过度充电或耗尽,甚至显示剩余电量。这些芯片采用巧妙的能效优化技术来平衡电芯,保持电池健康。


适配器电源

当您插入墙壁电源时,适配器电源会将家用交流电转换为您的设备可以使用的直流电。
开关电源 (SMPS) 会快速开关 MOSFET,然后使用电感器和电容器来平滑电压。这种开关电源 (SMPS) 设计效率极高——通常可达 85-95%——并且是大多数笔记本电脑充电器的核心。
低压差稳压器 (LDO) 是另一种选择——它们会将多余的电压转化为热量,但能提供非常干净、低噪声的电源设计,非常适合音频和无线电电路。


以太网供电

以太网供电 (PoE) 通过同一条以太网电缆同时传输数据和高达 90 W 的直流电源。办公室摄像头和 VoIP 电话中经常会看到这种技术——无需额外的电源模块。
PoE 控制器和隔离变压器从电缆中提取 48 V 直流电。然后,板载 DC-DC 转换器将其降压至您的设备所需的电压。现代 PoE++ 可处理高达 100 W 的功率,非常适合高耗电设备。


电源转换:调整电压以适应需求

获得原始直流电源后,您需要根据电路的每个部分进行调整:
降压转换器 (DC-DC 降压转换器) 通过 MOSFET 开关来高效地降低较高电压——通常可降低 90% 以上。这对于电源效率优化至关重要。电池供电设备。
升压转换器(升压 DC-DC 转换器)将较低电压(例如电池的 3.7 V)提升到较高电压,例如某些传感器的 5 V。
LDO 稳压器可以提供非常干净、低噪声的电源设计,但它们会将多余的电压转化为热量而浪费掉。


配电:将能量输送到需要的地方

转换后,电源必须通过 PCB 传输到每个芯片和模块。
配电网络 (PDN) 使用铜层承载每个电压轨。去耦电容靠近 IC,以平滑突发电流尖峰。
浪涌和瞬态保护器件,例如 TVS 二极管和 PTC 保险丝,可防止雷击或意外短路——这是高可靠性配电的重要组成部分。
EMI 滤波器和电源域隔离通过使用电感器和独立的接地区域,将开关噪声隔离在敏感的模拟或射频器件之外。


能源使用


电源效率优化:延长电池寿命的技巧

在便携式和物联网设备中,节能至关重要。以下是一些技巧:

使用低导通电阻 (R_DS(on)) 的 MOSFET 来降低传导损耗。

保持 PCB 走线短而宽;添加散热孔以散热——这有助于优化整体电源效率。

在嵌入式系统中使用动态电源管理,让 MCU 调整开关频率和占空比以匹配负载。

在高功率运行时,添加散热器或使用金属基板进行热管理。


嵌入式系统中的电源

嵌入式和可穿戴设备通常需要在电源之间不间断地切换:

多源切换使用电池太阳能混合供电解决方案 IC 在 USB-C PD、电池或太阳能电池板之间进行选择输入。

电量计 IC 可精确追踪电池剩余电量,让您的 MCU 在不使用时进入休眠状态,节省电能。

软启动和软关断功能可缓慢开启和关闭 MOSFET,以防止浪涌电流并避免复位。

这是一篇关于 IC 封装技术的文章。如果您感兴趣,可以阅读。


无线和绿色能源

新的设备供电方式正在兴起:
无线电源传输 (Qi、AirFuel) 让您无需线缆即可为设备充电——符合 Qi 标准的电源解决方案。
GaN 和 SiC MOSFET 开关速度更快,损耗更少,让您可以构建更小、更高效的电源模块。
数字电源控制使用 MCU 实时管理电压和电流,提供固件更新和自适应调节。
与太阳能电池板或能量收集的可再生能源集成,使低功耗设备无需维护即可运行。


结论

我们介绍了电子元件如何供电——从电池、适配器和 PoE,到电源转换(降压、升压、低压差线性稳压器 (LDO))、配电(PDN、保护、EMI)以及能效优化。我们还介绍了嵌入式系统、安全措施以及无线电源和绿色能源等未来趋势。


常见问题

如何知道电源的额定电压和电流?

查看标签(电压必须匹配,电流≥设备要求),如果不确定,请使用万用表测量电压,或查阅设备手册。

RECOM 转换器是否具有反极性保护功能?

大多数 RECOM 电源模块都配备了反极性保护功能(详情请查看型号手册),但部分基础型号可能不包含此功能。

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