第8讲-控制系统电源管理

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1、 吴松 什么是电源管理？电源有哪些种类？低功耗系统设计功率系统散热设计12345线宽与电流的关系电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。一个好的电源管理系统有以下特点： 系统功耗低； 系统热稳定性好； 系统电源噪声小，EMC性能优越。 1.什么是电源管理？2.电源有哪些种类？蓄电池开关 电源线性 电源集成线性稳压 器、桌面式线性 电源DC/DC、AC/DC干电池、铅酸电 池、锂电池2011/5/29蓄电池线性电源开关电源这三种不同的电源各有什么特点？电源分类及组成蓄电池线性稳压电源开关电源干电池铅酸电池镍氢电池集成稳压器桌面式线性稳 压电源直流开关电源 DC/DC交流开关电源 AC/D

2、C 锂电池l 干电池属于化学电源中的原电池，或者称为一次 电池。因为这种化学电源装置其电解质是一种不 能流动的糊状物，所以叫做干电池，这是相对于 具有可流动电解质的电池说的。l 常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、 镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌 -氧化银电池、锂-锰电池等。l 由于干电池属于一次性使用，成本相对较高；并 且不管是普通的锌锰电池还是碱性电池，其内阻 都比较大（通常在 0.510 欧姆级别） ，因此当 负载较大时，电压下降很厉害，无法实现大电流 连续工作。蓄电池 之 干电池l 铅酸蓄电池是一种具有一百多年应用历史的蓄电池。l 铅酸蓄电池的工作原理是：电池内

3、的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫 酸)中，两极间会产生 2V 的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则 阴阳极及电解液即会发生化学变化，产生电流。l 铅酸蓄电池最大的特点是价格较低，支持 20C 以上的大电流放电（20C 意味 着 10Ah 的电池可以达到 10*20=200A 的放电电流） ，对过充电的耐受强， 技术成熟，可靠性相对较高，没有记忆效应，充放电控制容易。但寿命较低 （充放电循环通常不超过 500 次） ，质量大，维护较困难，是一种优点和 缺点都很突出的电池。l 其突出的优点是大电流放电能力、没有记忆效应，可靠性高；突出的缺点是 质量大，维护困难。为了解决由于

4、电解液需要补充、维护困难的问题，人们 开发了免维护铅酸蓄电池。 l 铅酸蓄电池已经量产，能够在市场上买到各种不同电气规格和尺寸的。蓄电池 之 铅酸电池蓄电池 之 铅酸电池l 镍镉电池是最早应用于手机、笔记本电脑等设备 的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐 过充放电能力强、维护简单等优势。但其最致命 的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出 现严重的“记忆效应”，使得电池容量和使用寿 命大大缩短。l 所谓“记忆效应”就是电池在充电前，电池的电 量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量 的降低，在电池充放电的过程中（放电较为明显 ），会在电池极板上产生微小气泡，日积月累这 些气泡减少了电

5、池极板的面积也间接影响了电池 的容量。l 市场上能买到的镍氢电池有多种型号，有圆柱型 和方型两种，其原理和结构类似，但圆柱型较为 普遍，具有 AAA（七号） 、AA（五号） 、2/3AA 、4/3AA、B、C、D 型不同尺寸和不同容量的电 池。这些电池的标称电压都是 1.2V。蓄电池 之 镍氢/镍镉电池l 锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用 现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比较 贵锂离子电池与镍氢电池相比，重量较镍氢轻 3040%，能量比却高出 60 。l 锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.52 倍，充 放电

6、次数可达 500 次以上，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几 乎没有“记忆效应”，不含有毒物质。l 锂离子电池的安全性：相对于铅酸蓄电池、镍氢电池等具备抗过充、过放电能 力的电池，锂离子电池的充放电必须严格小心。锂电池具有严格的放电底限电 压，通常为 2.5V，如果低于此电压继续放电，将严重影响电池的容量，甚至 对电池造成不可恢复的损坏；另一方面，电池单元的充电截止电压必须限制在 4.2V 左右，如果过充，锂离子电池将会过热、漏气甚至发生猛烈的爆炸。因 此，通常在使用锂离子电池组的时候必须配备专门的过充电、过放电保护电 路。l 平衡充电：先恒流后恒压方式充电，保证100充满电，由于是电

7、池组串联， 所以充电时不可能保证别串联的电池每个都能发挥最好的能力。因而分别单独 充电。蓄电池 之 锂离子/聚合物电池蓄电池 之 优缺点比较内容铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池锂聚合物电池能量密度30-50Wh/kg差35-40Wh/kg差60-80Wh/kg一般90-110Wh/kg较好100-130Wh/kg非常好放电能力非常好非常好较好较好较好可维护 性非常好较好好一般较好放电曲线性能好好一般非常好较好循环寿命400-600次300-500次800-1000次500-600次500-600次安全性非常好较好较好一般较好价格低低较好高高记忆 效应无严重较轻轻微轻微太阳能电池l 太阳能电池

8、，又称为太阳能芯片。在物理学 上称为光生伏打 ( Photovoltaic )，简称 PV 。太阳能电池系一种利用太阳光直接发电 的光电半导体薄片，其将高纯度的半导体材 料加入一些不纯物使其呈现不同的性质，如 加入硼可形成 P 型半导体，加入磷可形成 N 型半导体，PN 两型半导体相结合后，当太阳 光入射时，产生电子与电洞，有电流通过时 ，则产生电力。l 价格较高、尺寸较大，重量较重。功率较低 ，即使光照条件理想，至少也需要 1-2平方 米的太阳能电池板才能满足供电需要； l 使用环境受限制。必须在较强日光条件下才 能产生足够电力。在室内或者夜间无法使用 太阳能电池技术。 l 太阳能电池产生的

9、电压、电流受光照条件影 响，因此在移动系统中通常用于为蓄电池充 电，难以直接对设备供电。线性稳压电源l 线性电源（Linear power supply）主要是针对开关电源来说的，指的是使用 在其线性区域内运行的晶体管或 FET 来进行稳压的电源。从输入电压中减去 超额的电压，产生经过调节的输出电压。线性稳压器能保持稳定输出额定电压 的原理均是在工作在线型区的晶体管电路中引入负反馈，保证当输出电压过高 时能降低输出电压，当输出过低时提高输出电压。l LDO（低亚降）稳压器件：正输出电压的 LDO（低压降）稳压器通常使用功 率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器

10、可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降电压为 2V 左右。（压降电压：是指 稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电 压差额的最小值。 ）l 78xx/79xx 系列三端稳压器件是最常用的线性降压型 DC/DC 转换器。 （1）输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； （2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足 够大，否则会导致高温保护或热击穿； （3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 由于线性稳压器是利用晶体管的线性区域

11、来降压、稳压，因此显然其输入功率并 非完全能从输出端口输出，两者的相差都会转为热能耗散掉。功率耗散(Pd)可以 根据以下的公式粗略估算： Pd =(VinVout) * Iout 开关稳压电源l 开关电源是通过电力电子技术控制开关管 开通和关断的时间比率，维持稳定输出电 压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度 调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。关电 源工作效率高，一般可达到 80以上。l 使用开关电源稳压芯片要注意电感和电容 参数的选择；l 注意开关电源电路的纹波处理。3.低功耗系统设计l 低功耗设计并不仅仅是为了省电；l 降低了电源模块及散热系统的成本；l 方便产品的小型化；l 延长了

12、移动设备电池的工作时间；l 由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰；l 随着设备温度的降低，器件寿命则相应的得到延长（半导体器件的工作温度每提高10度，寿命则缩短一半）。1、 降低功耗从MCU选型开始开始选型的时候就应该考虑选择低功耗的MCU， 比如MSP430一类的为低功耗设计的 CPU。2、选择器件用电电压降低器件的用电电压能够明显的降低器件的耗电比如说ATmega8 和 ATmega88， 虽然芯片大致内部结构一致但是后者可以工作在 1.8V 的超低电压下，而前者就不行。 3、尽量降低器件的工作频率CMOS电路的工作电流主要来自开关转换时对后一级输入端的电容充放电，如果能够降低 M

13、CU 的工作频率自然耗电也就下来了，AVR 的CPU工作在 32.768KHz 时和工作在 20MHz 时的工作电流差异有几十倍大。4、尽量使用 VMOS 做为外部功率扩展器件VMOS驱动的时候是电压型器件，驱动时几乎不产生功耗，比普通的晶体管省电， 而且由于 VMOS 的导通内阻低通常只有几十个毫欧，在小电流的时候器件自身发热也小， 尤其是小电流是效率远比传统晶体管要高的多。建议使用高速 VMOS，因为高速 VMOS 用于开关速度相当高的 PWM 时效率会更高。 低功耗系统设计方案硬件篇5、尽量使用中断让处理器进入更深的睡眠睡眠模式和掉电模式能够大大的降低 MCU 的工作电流，要充分的利用

14、MCU 的中断功能让 MCU 周期性的工作和睡眠从而大大的降低 MCU 的工作电流。 6、片外 IC的电源最好都能由MCU的 IO 控制比如常用的 24C02，由于它是掉电记忆的，所以在它不工作的时候关掉电源以节约电流。还有比如说常用的 6116 的 SRAM 可以用单片机来控制它的片选端口来控制它的工作与休眠从而节约电流。大部分存储器的功耗在片选有效时（不论 OE 和 WE如何）将比片选无效时大 100 倍以上， 所以应尽可能使用 CS来控制芯片，并且在满足其它要求的情况下尽可能缩短片选脉冲的宽度。 7、使用 PWM方式驱动LED 器件，省略限流电阻节约了限流电阻同时也就节省了限流电阻上面的

15、功耗，如果用户使用的是电池，还可以不定期的对电池电压进行检测然后改变占空比，从而恒定负载上面的电压，达到电源的最大利用率。 8、慎用信号的上拉或下拉电阻，信号需要上下拉的原因很多，但也不是个个都要拉。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号，电流几十微安以下。但拉一个被驱动了的信号，其电流将达毫安级， 现在的系统常常是地址数据各 32 位，可能还有 244/245隔离后的总线及其它信号，都上拉的话，几瓦的功耗就耗在这些电阻上了。 低功耗系统设计方案硬件篇9、CPU 和 FPGA 的闲置 I/O 口处理。不用的 I/O口如果悬空的话，受外界的一点点干扰就可能成为反复振荡的输入信号了。而 MOS 器件的功耗

16、基本取决于门电路的翻转次数。如果把它上拉的话，每个引脚也会有微安级的电流，所以最好的办法是设成输出，当然外面不能接其它有驱动的信号。 11、FGPA 的功耗控制。FGPA 的功耗与被使用的触发器数量及其翻转次数成正比，所以同一型号的 FPGA 在不同电路不同时刻的功耗可能相差 100 倍。 尽量减少高速翻转的触发器数量是降低 FPGA 功耗的根本方法。 12、软件与硬件配合来降低功耗总线上几乎每一个芯片的访问、每一个信号的翻转差不多都由软件控制的，如果软件能减少外存的访问次数，多使用寄存器变量、多使用内部Cache，及时响应中断（中断往往是低电平有效并带有上拉电阻）及其它针对具体硬件所采取的特定措施都将对降低功耗作出很大的贡献。 13、 尽量关闭 MCU 内部不用的资源比如 ATmega8 内部的模拟比较器，默认是开着的，还有 ATmega88 内部的大多数资源都可以在不用的时候用软件关闭。 低功耗系统设计方案硬件篇14、硬件软件化只要是硬件电路，必然消耗功率。将一些信号抗干扰处理、