电子系统中初级电源方案的选型分析

林钊文

摘 要：随着电子技术的日益发展，衍生出各种各样的电子行业。不管是哪个电子行业，都需要用到电源。电源系统担任系统电能转换和传送。其在系统中的角色相当于人体心脏的作用，一旦呈现问题，系统就会中止工作。电源的稳定性直接决定电子系统的稳定性，所以电源芯片的选型十分关键。

关键词：隔离 PoE；适配器；电网；无线充电

一、引言

关于电源的技术有很多，电源芯片的分类也非常广泛。电源可以分为，AC/DC，DC/AC；也可以分为DC/DC，LDO；也可以分为buck，boost，buck-boost；可以分为脉冲调制变换器，谐振式变换器；也可以分为隔离式和非隔离式的电源。

电子工程师必须掌握电源芯片的选型。

二、初级电源选型

1 从电网取电

电子仪器，一般是从电网取电，所以初级电源通常指的是电源适配器。对于初级电源，由于是从电网取电，而电网中连接着数以万计的电子设备，电磁炉，电视机，电灯，电冰箱等。所以从电网取电，干扰一般比较大。为了避免电网的干扰大，导致电子仪器异常，适配器的设计基本都是隔离的，使用电源变压器的设计方式，使初级电路和次级电路隔离。使用隔离方式设计的电源，后级电路的干扰被高频变压器隔离，不会对电网产生影响；电网的干扰也会被高频变压器隔离，不会引入到后级电路中。

对于适配器的选型，需要关注适配器的以下参数。1）输入电压，常用的适配器的输入电压是100V-240V（90V-260V 20%的适压范围），我国使用220V的电网，其它国家可能使用110V的电网，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）输出电压，常用电压有5V，9V，12V，20V，24V。对于常用的手机适配器，一般是5V充电的；对于支持快充的手机适配器，是5V，9V，12V可握手切换的；电脑充电器一般是20V的。3）输出电流。输出电流×输出电压=功率。一般输出功率比较大的适配器体积也比较大。

这类适配器，一般使用boost拓扑，boost拓扑BOM成本比较低；也有直接使用工频变压器+稳压管的形式，采用该种方式，电压偏移比较大，空载电压比较高，带负载后电压掉落比较快，一般不建议使用这种适配器。

2 从网线取电

从网线上取电，简称为PoE（power over enthenet）。从网线取电的前提网线上必须有电，这类设备一般分为PSE和PD。PSE是供电设备，PD是受电设备。PoE可以简单理解为从网络变压器的中间抽头取电。

PoE的供电方式，可以分为标准PoE供电方式和非标准PoE供电方式。标准的PoE供电方式指的是符合802.3af，802.3at标准（48V-56V），前者是13W，后者是25W。采用标准的PoE供电方式，在没有接上PD设备的时候，网络变压器的中间抽头只有很低的电源电压（少于2V），当接入PD设备后，PD和PSE握手通信，确定PD是按照af还是at标准设计的，才给予相應的功率。而采用非标准的PoE供电，只是简单的在网络变压器的中间抽头提供电源电压，采用非标准的PoE供电，PD端短路可能会导致网络变压器烧坏的情况。

PoE供电的好处是省去了一个电网的接口，电网接口是高压接口，处理不谨慎很容易做成触电。在一些不好铺设电网的地方可以铺设网线。标准的PoE供电由于没有连上PD设备的时候，电压很低，大概2V以下，所以非常安全。

PoE的选型，PoE的设备只是针对网络设备。首先确定是否需要符合802.3的标准。如果需要符合标准，再确定PD设备的所需功率是13W以下还是25W以下，最终确定PoE使用的标准。如果大于25W以上的设备，不建议采用PoE供电。如果是非标准的PoE，没有必要把网络抽头上的电压设定为48V（标准PoE的电压是48V-56V），但是也不能设定得过低，需要考虑线损。由于网线的长度可能很长，为了避免网线过长影响PD设备的后级电路，所以PoE设备内部的第一级电源也会采用隔离式设计，采用隔离式电源设计，可以避免PSE和PD共地互相干扰。

3 总线供电

单总线供电的方式比较特殊，即在通信总线上提取电源，如主机和从机之间使用I2C通信，从机可以在I2C总线上提起电源。在某些情况下，电子设备的安装位置并没有电网接口，而这类电子设备本身的运行功耗不大，如消防报警器。这类设备有以下特点：1）不属于网络设备，不使用网络接口，如果是网络接口的设备可以使用PoE的方式。2）功耗比较低。因为是从总线上提取电源，总线的长度不确定，可能会有很大的线损。3）可以并接多个从机设备，也就是在一条总线上，一个主机可以并接多个从机。4）有短路保护机制，防止由于个别设备短路而烧坏总线。

单总线供电技术由于是从总线上提取电源，所以对电源器件没有要求，主要是对其它器件的选型有要求，一般要求低功耗。

4 无线充电

无线充电技术主要用于手持设备，如手机，手表。无线充电技术主要利用电磁技术，在发射器将电流转化为电磁，手机通过内置芯片接收器将电磁转化为电流为手机充电。无线充电技术标准主要有4个：Qi，PMA，A4WP，APPLE。

目前的无线充电技术有三种。一种是充电垫，它用到了紧密耦合电磁感应技术或者短程充电技术。一种是充电碗或者穿透表面的充电器，用到了松耦合电磁谐振充电技术，可以相隔几厘米传输电力。还有一种是解耦合RF无线充电技术，充电距离比较远。

无线充电的发射端和接受端所使用的芯片是成对出现的，即符合Qi标准的发射芯片需要使用符合Qi标准的接收芯片接受能量。无线充电设备使用方便，但是成本价格比较高。

三、结束语

电子系统设计的过程中，必须要慎重考虑初级电源的选型。以上四种初级电源的供电方式，各有优点缺点。无线充电价格高，效率低，但比较方便。总线供电成本低，但只能支持低功耗设备。PoE供电比较方便，但是成本也比较高，而且要求PD内部的第一级电源做隔离处理。适配器供电最常用，但是对于一些没有电网的场合不太适用。硬件方案设计时，需要综合考虑以上四种方式，选择适合自己的初级电源。