嵌入式系统常规电源设计

关于电池供电的便携设备而言，除了要冲破解决能力的限制外，便携式系统电源的性能也要不断改进。本文探讨便携嵌入式系统电源设计的留意事项以及设计中应遵循的准则。这些原则对任何具有强大功能且非得以电池供电的便携嵌入式系统电源设计都是有帮助的。依据本文描述的构造模块，读者可以为特定设计选择适宜的器件以及设计策略。

电源管理单元

为电源电路规定详尽的功能和架构模块并非微不足道，这些工作笔直影响到电池供电系统的工作时间。电源系统架构会因嵌入式产品和使用范畴的不同而各异。下图是典型便携嵌入式系统中的电源办法。

下面我们分别含义图中每个组成部分的要求。假设该产品由电池包或外接电源供电。电源路径控制器的功能是当有多个电源时，负责切换至适宜的电源。在某些设计中可能要考虑包括新兴的USB和以太网供电（poE）等供电方式。

电池保护电路保护电池免受过压、欠压、过热、过流及其它异常状况的损坏；专门的电池充电电路应在一旦有其它供电来源的情况就对电池进行充电；电量计电路继续监测电池电量状况，并为用户和电源管理软件供应电池状态信息。

系统可能要多个DC-DC功率变换器。例如开关电源（SMpS）、LDO稳压器、电荷泵等。这些不同的变换器用于产品设计内所有可能的输入电源和所需的不同电压。

数字接口或硬件按钮控制器负责开启和封闭系统——有时也称软启动。在一些最近推出的功率变换器中，数字接口也可被用来微调各种变换器出现的输出电压。在具有功耗意识的电源设计中，这种微调是必需的。

高效电源的标准

在嵌入式使用中，电源效率并不限于传统的系统输出功率与系统输入功率之比这样一个含义。在嵌入式系统，高效电源办法应满足以下标准：1.采用电池供电时，设备可长时间工作；2.延长电池寿命（充放电次数）；3.限制元器件和电池本身的温升；4.供应集成软件智能，以使效率最大化。

事实上，没有单一的指挥方针可以最大化电源办法的效率。不过，设计人员在开发电源系统时会考虑以下几点：电池寿命（充放电次数）取决于电池的充电特性；对锂电池来说，制造商通常提议遵循最优充电电流（恒流模式）和终止/预充电电流值。当设计充电器电路时，非得严格遵守这些规范。

电池管理

关于消费类电子产品，电池保护非得被视为基本特性，因为它与用户的人身安全息息相关。非得采取充足的措施测试电池的过压、欠压和温度；非得选用诸如温变电阻等适宜的器件来确保无论在任何异常条件下，都能自动限制电流的大小；非得使用电量计。除了正常电量测试功能外，它还能确保电池安全。大部分电量计安装于电池上，可用于测试电池温度、放电电流等。

关于电源路径控制器，一个常常被忽略的问题是：当从一个电源切换到另一个时，无论时间多短，都不能在两者间形成回路。这可能要额外的反向连接二极管或开关。同样，当采用其中一个电源供电时，该电源的电压不应通到另一个电源的输入端。

由于存在很多可用的功率变换器拓扑结构，所以正确选择电源变换器并非易事。一般来说，在需求高效率和大输出电流的场合，非得戒备使用线性稳压器。

在采用开关电源的场合，设计人员应确保采用适当的拓扑（降压、升压、降压-升压，电荷泵，SEpIC等），以保证即使在电池电压下降到最低工作值的情况下，电源也能维持期待的输出电压，这有助于延长设备的工作时间。

关于降压变换器而言，同步变换器通常具有比异步变换器更高的效率。不过，这种架构选择在很大程度上取决于该变换器工作状态下所需的输出电流以及占空比。因此，采用同步变换器所带来的少许效率提升并不足以弥补所新增的成本。

用于滤除开关电源输出纹波的电感种类的不同通常会对变换器效率有不同影响。在各种电感选择中，低直流阻抗及在工作频率下具有低磁损耗的电感是首选。

热设计应与电气设计须夷不离。各个IC或无源器件的封装非得要能解决其正常工作状态下的发热问题。许多芯片制造商提议采用带过孔的热焊盘，并在pCB上采用大焊盘来更好地散热。紧凑型嵌入式产品通常没有添加风扇的空间，但非得考虑到pCB上的通风通道以及足够的散热措施。

本文小结

电源设计往往被当作纯粹的硬件设计。但是，为了得到高效的电源办法，设计人员要为电源电路新增软件智能。软件控制的一些基本功能包括，测试由电源路径开关选择的是哪种电源；在电池供电时，对不要的电路减少供电电流。

更精妙的电源管理软件还会包括其它参量，例如：系统运行的使用种类、最低外设要求、最慢时钟频率以及运行此使用所需的最低电压，并据此相应地控制电源输出、时钟发生器和接口IC的状态。

遵循上述相关经验规矩可以显着提高便携式设备的电源性能。例如，一款典型的30W多输出电源办法的整体效率可高达85到90%。目前已多家集成电路制造商可供应一系列高集成度IC，具备上述各种功能。依据不同电源要求，一些使用可能要单芯片办法，而另一些则可能采用分立模块。毕竟，在竞争猛烈的嵌入式产品市场，电池寿命和设备工作时间是影响买方选择的关键因素。

图：典型便携嵌入式系统的电源管理办法。

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