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高效電池電源
高效電池電源
電池為需要移動或位于無法連接主電源或其他電源的地方的電氣設(shè)備提供了強大的電源。由于電池制造商的遠見卓識，世界各地都有標(biāo)準(zhǔn)尺寸和電壓的電池可供選擇，以適應(yīng)任何應(yīng)用和預(yù)算。電池供電的最大問題是用戶期望設(shè)備在需要充電或更換電池的情況下運行很長時間。這種需求使設(shè)計人員有責(zé)任提高效率并降低功率需求以滿足這一需求。
電壓要求
產(chǎn)生固定電源電壓的最簡單方法是串聯(lián)適當(dāng)數(shù)量的電池，直到它們的總和產(chǎn)生所需的值。這種方法是標(biāo)準(zhǔn)一次性 1.5V 電池的首選方法，沒有尺寸限制。然后出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn) 1.2V 的可充電電池，以及用戶對更小、更輕、更便攜設(shè)備的需求。解決方案是使用升壓轉(zhuǎn)換器從少量一次性或可充電電池中獲取能量并產(chǎn)生所需的電源輸出。
升壓轉(zhuǎn)換器
升壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，可將輸入電壓升壓至所需的輸出電壓。它通過使用電容或電感形式的能量存儲來實現(xiàn)這一點，該能量存儲以足夠的頻率切換以產(chǎn)生所需的輸出。轉(zhuǎn)換過程效率將由 LC 電路中的損耗和開關(guān)電路的功率要求決定。對于設(shè)計人員來說，好消息是有大量現(xiàn)成的升壓轉(zhuǎn)換器可供選擇。它們也被稱為升壓開關(guān)穩(wěn)壓器和升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
高效穩(wěn)壓器
開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)更高的效率，因為前者使用能量存儲來執(zhí)行 DC 到 DC 的轉(zhuǎn)換。相比之下，后者使用電阻損耗進行轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生熱量。升壓開關(guān)穩(wěn)壓器通常使用脈寬調(diào)制來控制其輸出，以將開關(guān)操作的占空比作為閉環(huán)功能進行調(diào)節(jié)。該電路中的主要損耗是由提供控制電路反饋元件的二極管引起的。使用MOSFET技術(shù)來實現(xiàn)二極管功能可以獲得效率的提高。額外的效率節(jié)省可以來自實施更復(fù)雜的開關(guān)控制以跳過在低負載期間不需要開關(guān)的周期。
隔離式電源的效率通常低于等效的非隔離式電源，因為它們需要更多的組件數(shù)量并且包括隔離變壓器造成的損耗。
低負載效率
設(shè)計人員工具包中用于延長電池壽命的另一個工具是設(shè)備的低負載效率。低負載是設(shè)備處于待機、睡眠或空閑、等待輸入或刺激運行的操作模式。這些狀態(tài)通常代表電池供電設(shè)備的大部分工作壽命，因此效率節(jié)省會顯著影響整體功耗。
理想情況下，電源應(yīng)設(shè)計為在無負載時關(guān)閉。在電源具有輸出 LC 濾波器級的情況下，這種方法是必不可少的，這在開關(guān)模式設(shè)計中很常見。在空載狀態(tài)下，輸出電壓將上升到峰值電壓，這充其量是低效的，最壞的情況是會導(dǎo)致受影響組件的損壞或工作壽命縮短。穩(wěn)壓器也可能受到不穩(wěn)定反饋條件的影響，其中電路中的噪聲成為主要電壓。
低負載條件的設(shè)計選項包括從脈寬調(diào)制切換到脈沖頻率調(diào)制，其中效率隨著負載電流的降低而提高。
混合開關(guān)模式
開關(guān)穩(wěn)壓器的一個缺點是開關(guān)功能產(chǎn)生的輸出上存在紋波。輸出濾波和仔細的 PCB 布局設(shè)計可以降低這種噪聲。盡管如此，如果電池供電設(shè)備包含需要無噪聲電源的敏感電路，則需要探索其他選項。線性穩(wěn)壓器不會遇到此問題，但它們僅適用于電池輸出電壓略高于所需設(shè)備電路電源軌的情況。它們不能提高電壓，CD-CD 轉(zhuǎn)換中任何顯著的電壓差都是低效的。
混合開關(guān)穩(wěn)壓器現(xiàn)在可用于將開關(guān)穩(wěn)壓器的元件與線性穩(wěn)壓器的元件相結(jié)合，以創(chuàng)建低噪聲電源。線性穩(wěn)壓器有效地充當(dāng)輸出濾波級。這種解決方案的缺點是增加了設(shè)備的復(fù)雜性，這會轉(zhuǎn)化為更高的成本和降低的效率。然而，對于需要少量電池且基于開關(guān)模式的穩(wěn)壓器噪音太大的電池供電設(shè)備，這提供了一種實用的解決方案。
使用線性穩(wěn)壓器來清理開關(guān)穩(wěn)壓器輸出的局限性在于，其性能會隨著噪聲頻率的增加而降低，因此在決定開關(guān)頻率時會增加另一個權(quán)衡因素以及物理尺寸和效率因素。