電源管理

電源管理在任何電氣設計中都是必須考量的最大因素之一,以確保生產力與能源效率最大化。

將近百年以來,我們監控相對的基本電氣參數 – 電流與電壓。在電源設計中,這主要用於確保電力供應穩定,而且有容量能為負載供電。隨著集中化發電逐漸成長,更複雜的配電系統進入商業與工業領域,所以進行測量與監控的理由也越來越多。商業客戶與家庭消費者同樣對於他們使用多少電量 (瓦特),以及用電效率 (功率因數) 越來越感興趣。

在 1980 年代以前,電表是採用基本電磁原理的電機 (類比) 裝置。在微處理器產業進步並轉變我們的生活與工作方式時,這一點已經變化。微處理器幾乎無孔不入,快速成為數位時代的普遍元件。以電源管理的觀點而言,微處理器最早是應用在測量設備與電路保護上,因為有諸多優點:一個數位測量裝置能輕易取代數個類比測量裝置。從類比裝置轉換為數位裝置在 90 年代到 00 年代推動了電力測量的高度成長;然而最近的成長將我們帶領到嶄新的智慧型層級。現在客戶需要精確而且即時的數據,進一步輔助決策,並將生產力與能源效率最大化。本文稍後將說明兩種主要的電源供應器類別:線性與切換模式電源供應器 (SMPS) – 但是我們首先考慮能簡化電源供應器設計的嵌入式解決方案。

嵌入式解決方案

有許多整合式解決方案可用,涵蓋能簡化電源供應器設計的電源管理 IC,一直到自封式線性與切換模式電源供應器。

電源管理積體電路 (PMIC) 一詞,包括通常具備電子電力轉換功能及/或電源控制功能的晶片系列。使用 PMIC 能大幅簡化電源供應器設計,並能涵蓋從簡單、單一功能裝置,例如電壓調節器或切換控制器,一直到整合多項功能,例如電力轉換、監控與排列等更複雜的 PMIC 裝置。

完全整合的解決方案以嵌入式電源供應器的形態提供,是統包式的解決方案,能立即與設備整合,並提供具備單一或多種電壓軌的線性與 SMPS 選項。

DC-DC 轉換器

DC-DC 轉換器為具有 DC 供電,但是需要額外 DC 電壓軌的狀況提供更便利的解決方案。它們是自封式,通常為板裝,而且具備高達 200W 的額定功率。DC-DC 轉換器可升降,通常具備 90% 以上的效率。

外部電源供應器的等級 VI 標準

在 2000 年左右,大量的系統與裝置所使用的電源供應器,其設計在系統與裝置沒有使用時並不會關機,因此會繼續耗用電力,有如裝置的電源仍然開啟。電源供應器能輕易耗用 1W,再乘上繼續插在插座上的裝置數量,累計成為大量的能源浪費。

因此,電腦與消費性電子產品的電源供應器設計師最近面臨逐漸加重的法規壓力,必須提高能源效率。設計師目前的目標是符合最嚴格的標準,以確保產品能在國際市場中銷售。

歡迎查閱我們的 DesignSpark 專文,進一步瞭解電源供應器的等級 VI 標準:攀登低能源扶梯 (Climb aboard the low-energy escalator)

線性與切換模式電源供應器

我們在下圖中查看兩種主要的電源供應器類別:線性與切換模式電源供應器。

無論您決定採用哪一種方案,應考量的重要因素如下:

  • 對於額定功率、保護功能、噪音與暫態反應時間的特定應用要求
  • 安全性與電磁相容性 (EMC)
  • 效率要求

‧相關產業標準,以及關於上述要點的法令規定;其中包括但不限於:EMC directives、CE、TUV、FCC 與 UL 認證

切換模式電源供應器 (SMPS)

與線性電源供應器相較之下,一般稱為 SMPS 的切換模式電源供應器通常體積較小、重量較輕、成本較低,效率較高。取得這些優點的代價是它們比較複雜,需要額外的零組件,因此設計上的考量限制較多。然而,SMPS 系統中的控制層級對於能源浪費最小化越來越重要。這個名稱的起源是 DC 電壓是以非常高的頻率切換為開啟與關閉 (通常 10 kHz 至 1 Mhz),以產生能通過高頻率電感器或變壓器的 AC 電流。因為涉及高頻率,所以可使用較輕、較小、較便宜的電容器與變壓器。高頻率 AC 經過過濾與整流,產生 DC 輸出電壓。SMPS 在理想狀態下,不會耗散功率。

電源供應器中的連接器

所有由電力推動的系統都需要安全可靠的方法以提供電力,因此選擇正確的連接器是您設計當中的重要環節。從簡單的端子台到重量級工業插頭,以及兩者之間的所有產品,無論您的應用為何,RS Components 都擁有各式各樣的連接器類型,確保您能安全提供電力。

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