電子系統中初級電源方案的選型分析

林釗文

摘 要：隨著電子技術的日益發展，衍生出各種各樣的電子行業。不管是哪個電子行業，都需要用到電源。電源系統擔任系統電能轉換和傳送。其在系統中的角色相當于人體心臟的作用，一旦呈現問題，系統就會中止工作。電源的穩定性直接決定電子系統的穩定性，所以電源芯片的選型十分關鍵。

關鍵詞：隔離 PoE；適配器；電網；無線充電

一、引言

關于電源的技術有很多，電源芯片的分類也非常廣泛。電源可以分為，AC/DC，DC/AC；也可以分為DC/DC，LDO；也可以分為buck，boost，buck-boost；可以分為脈沖調制變換器，諧振式變換器；也可以分為隔離式和非隔離式的電源。

電子工程師必須掌握電源芯片的選型。

二、初級電源選型

1 從電網取電

電子儀器，一般是從電網取電，所以初級電源通常指的是電源適配器。對于初級電源，由于是從電網取電，而電網中連接著數以萬計的電子設備，電磁爐，電視機，電燈，電冰箱等。所以從電網取電，干擾一般比較大。為了避免電網的干擾大，導致電子儀器異常，適配器的設計基本都是隔離的，使用電源變壓器的設計方式，使初級電路和次級電路隔離。使用隔離方式設計的電源，后級電路的干擾被高頻變壓器隔離，不會對電網產生影響；電網的干擾也會被高頻變壓器隔離，不會引入到后級電路中。

對于適配器的選型，需要關注適配器的以下參數。1）輸入電壓，常用的適配器的輸入電壓是100V-240V（90V-260V 20%的適壓范圍），我國使用220V的電網，其它國家可能使用110V的電網，100-240V是指下限110V的-10%到上限220V的10%。90V-260V是指下限110V的-20%到上限220V的20%。2）輸出電壓，常用電壓有5V，9V，12V，20V，24V。對于常用的手機適配器，一般是5V充電的；對于支持快充的手機適配器，是5V，9V，12V可握手切換的；電腦充電器一般是20V的。3）輸出電流。輸出電流×輸出電壓=功率。一般輸出功率比較大的適配器體積也比較大。

這類適配器，一般使用boost拓撲，boost拓撲BOM成本比較低；也有直接使用工頻變壓器+穩壓管的形式，采用該種方式，電壓偏移比較大，空載電壓比較高，帶負載后電壓掉落比較快，一般不建議使用這種適配器。

2 從網線取電

從網線上取電，簡稱為PoE（power over enthenet）。從網線取電的前提網線上必須有電，這類設備一般分為PSE和PD。PSE是供電設備，PD是受電設備。PoE可以簡單理解為從網絡變壓器的中間抽頭取電。

PoE的供電方式，可以分為標準PoE供電方式和非標準PoE供電方式。標準的PoE供電方式指的是符合802.3af，802.3at標準（48V-56V），前者是13W，后者是25W。采用標準的PoE供電方式，在沒有接上PD設備的時候，網絡變壓器的中間抽頭只有很低的電源電壓（少于2V），當接入PD設備后，PD和PSE握手通信，確定PD是按照af還是at標準設計的，才給予相應的功率。而采用非標準的PoE供電，只是簡單的在網絡變壓器的中間抽頭提供電源電壓，采用非標準的PoE供電，PD端短路可能會導致網絡變壓器燒壞的情況。

PoE供電的好處是省去了一個電網的接口，電網接口是高壓接口，處理不謹慎很容易做成觸電。在一些不好鋪設電網的地方可以鋪設網線。標準的PoE供電由于沒有連上PD設備的時候，電壓很低，大概2V以下，所以非常安全。

PoE的選型，PoE的設備只是針對網絡設備。首先確定是否需要符合802.3的標準。如果需要符合標準，再確定PD設備的所需功率是13W以下還是25W以下，最終確定PoE使用的標準。如果大于25W以上的設備，不建議采用PoE供電。如果是非標準的PoE，沒有必要把網絡抽頭上的電壓設定為48V（標準PoE的電壓是48V-56V），但是也不能設定得過低，需要考慮線損。由于網線的長度可能很長，為了避免網線過長影響PD設備的后級電路，所以PoE設備內部的第一級電源也會采用隔離式設計，采用隔離式電源設計，可以避免PSE和PD共地互相干擾。

3 總線供電

單總線供電的方式比較特殊，即在通信總線上提取電源，如主機和從機之間使用I2C通信，從機可以在I2C總線上提起電源。在某些情況下，電子設備的安裝位置并沒有電網接口，而這類電子設備本身的運行功耗不大，如消防報警器。這類設備有以下特點：1）不屬于網絡設備，不使用網絡接口，如果是網絡接口的設備可以使用PoE的方式。2）功耗比較低。因為是從總線上提取電源，總線的長度不確定，可能會有很大的線損。3）可以并接多個從機設備，也就是在一條總線上，一個主機可以并接多個從機。4）有短路保護機制，防止由于個別設備短路而燒壞總線。

單總線供電技術由于是從總線上提取電源，所以對電源器件沒有要求，主要是對其它器件的選型有要求，一般要求低功耗。

4 無線充電

無線充電技術主要用于手持設備，如手機，手表。無線充電技術主要利用電磁技術，在發射器將電流轉化為電磁，手機通過內置芯片接收器將電磁轉化為電流為手機充電。無線充電技術標準主要有4個：Qi，PMA，A4WP，APPLE。

目前的無線充電技術有三種。一種是充電墊，它用到了緊密耦合電磁感應技術或者短程充電技術。一種是充電碗或者穿透表面的充電器，用到了松耦合電磁諧振充電技術，可以相隔幾厘米傳輸電力。還有一種是解耦合RF無線充電技術，充電距離比較遠。

無線充電的發射端和接受端所使用的芯片是成對出現的，即符合Qi標準的發射芯片需要使用符合Qi標準的接收芯片接受能量。無線充電設備使用方便，但是成本價格比較高。

三、結束語

電子系統設計的過程中，必須要慎重考慮初級電源的選型。以上四種初級電源的供電方式，各有優點缺點。無線充電價格高，效率低，但比較方便。總線供電成本低，但只能支持低功耗設備。PoE供電比較方便，但是成本也比較高，而且要求PD內部的第一級電源做隔離處理。適配器供電最常用，但是對于一些沒有電網的場合不太適用。硬件方案設計時，需要綜合考慮以上四種方式，選擇適合自己的初級電源。