寫在前面

令人愉快又頹廢的週日馬上就要到了，正在計劃這周部落格寫什麼的我，突然收到導師發給我的訊息，What？要給我發補助？

這樣中午不得去食堂加一個餐，很快啊，我就說了聲：謝謝。

但後續證明我還是太嫩了些，天上是沒有免費午餐的。

不過對於這種專業相關，而且能從中學到不少東西的任務，我還是十分樂意去幹的，就害怕是那種重複性的（對我來說）毫無價值的體力性勞動。

上學嘛，當然是以接觸新事物，瞭解新知識為主的，幫老師做些東西無可厚非，但前提是要讓學生能感覺到自己是在成長，要是一個雙贏的局面（滿滿的求生欲）。

哎呀跑題啦，具體的電路圖可能是專案相關的，這裡就不放了，但並不妨礙我對它進行分析、解構與重組。

初中生去設計一個電源電路，他會怎麼做？

這裡為什麼會說是初中生，因為我發現初中學的電路知識，可比高中學的電學知識對電路分析有用多了，比如說串並聯，比如說歐姆定律。哪怕是之後學的KVL、KCL也是以串並聯為基礎的。

高中物理主要是在初中進行深層次討論，逐漸進行到微觀，例如電荷，電子等運用力學知識去解決電學遇到的難題。

所以現在要讓一個初中生設計一個降壓電路，他會怎麼做？

歐姆定律

相信電子人沒人會不記得這個定律。藉助於這個定律，初中生也能設計出一個降壓電路，如圖所示：

咱們來好好的分析一下，按照電源設計的要求，去對這個電路進行評估。

一個好電源有哪些要求？

首先電源肯定是要拿來供電的，而且提供的電壓要穩定，並且當負載變化時要有好的負載響應能力。

還有一點，對於一個嵌入式系統來說，電壓供應需求是不唯一的。

好了，有這些要求，咱們來分析一下這個電路：

• 1、只能降壓

• 2、驅動能力太弱
  當你想要一個大電流的驅動時，是難以實現的，因為它不可能超過流過R1的電流。

• 3、輸出沒有穩壓
  當以加上一個負載的時候，就類似於給R2並聯了一個電阻，等效出來的電路R2阻值肯定比200K小，輸出也不是8V。

• 4、負載響應能力很差
  當負載變化時，電流不夠，只能改變電壓，造成很大的電壓波動。

仔細一看，還真全是毛病，但別忘了我們每一個人都是從那個狀態過來的，從最基本的原理開始，一步一步的向前邁進。

這個電路圖大家記住，暫時按下不表（後面還會出現），咱們先聊一聊電源設計。

電源設計

對於一個嵌入式硬體系統來說，電源模組設計是重中之重，電源的好壞直接影響嵌入式硬體系統的可靠性。

設計供電電源應該考慮的因素包括輸出的電壓、電流，輸入的電壓、電流，安全因素，電磁相容與電磁干擾，體積限制、功耗限制以及成本限制等。

電源樹

首先要給大家提一個概念——電源樹。

根據估計的電流，以及各電壓等級電流的分配，繪製更加形象直觀的樹狀圖。

說白了就是一個硬體系統，不同的電路元件需要的工作電壓是不一樣，但整個系統的輸入電壓只有一個，所以就要從這唯一的輸入（一般是12V或者24V），轉化成可供處理器和各個外設使用的電壓（常見的有5V、3.3V、1.8V）。

簡單分類

人們總喜歡給周圍的事物分類，按照分類標準不一樣，分出來的結果也各不相同，電源電路這塊也是，但萬變不離其宗，不管標準怎麼改，無非是交流（AC）和直流（DC）之間的愛恨情仇。

AC到DC

交流到直流，最常見的就是各種家用電器，大家都知道接入電網的是220V交流電，而家用電器大多是直流。

AC到AC

交流到交流，比如隔離變壓器，防止220V直接和地連。

DC到AC

直流到交流，這一類屬於逆變器

像太陽能發電板，把太陽能轉換成的直流電轉成交流以供使用；

或者變頻冰箱與空調，一般是把AC轉到DC再轉到AC，因為在直流的時候，改變頻率是很簡單的。

DC到DC

大家常見的各種12V轉5V、3.3V、1.8V的電路，用於驅動CPU和各種外設。比如低壓差的LDO和開關電源等。

分類圖

對於剛入門的小白來講，最常見的，最常用的就是DC-DC，直流轉直流，而這裡面最常見的就是LDO線性穩壓電路。

所以後面我會重點講解一下這個。

LDO線性穩壓器

線性穩壓器內部原理

全世界第一顆積體電路線性穩壓器1970年面世
著名的LM317,1976 (National Semiconductor)Robert Dobkin and Bob Widlar designed

大家有沒有想過線性穩壓器是怎麼穩壓的呢？為什麼線性穩壓器輸出端的電壓就能這麼的穩定？

其實大家好好聯想一下生活中或者工作中的各種例子：一個穩定的系統，最重要的是什麼？

比如說你的家庭，一個幸福的家庭，裡面的成員之間最重要的是什麼？是溝通。

沒錯，就是溝通，放在系統裡面它有另一個名字——反饋。

前面提到的初中生設計的電路可以再拿出來了。

如果我們用一個調整管Q1（可以根據資訊改變自己電壓輸出，就當成水龍頭就行）代替R1；R2就相當於我們的負載電路。

這樣的話，我們可以通過檢測輸出端的電壓，反饋給我們的比較器，再由比較器給我們的Q1，Q1通過反饋過來資訊在控制自己的輸出電壓是多少，以此來達到一個穩定的輸出。

電晶體Q1有什麼特點：

• 就像在輸入和輸出之間放一個電阻來勉強承受兩個節點之間的電壓降
• 輸入輸出電流相同，因此，壓差和電流的乘積，變成了LDO的熱耗散功率
• 工作效率=輸出功率/輸入功率從而轉換效率與輸入輸出壓差成反比。熱耗散功率與輸入輸出壓差成正比。

分析一些簡單的LDO電路

經典電路7850

非常典型的一個三端穩壓器，我老師說他上學時，他老師經常舉這個例子，一個輸入電容，一個輸出電容，三腳一個地。

它內部的原理圖是這樣的，上面使用一個低功率的MOS管來驅動一個大功率的MOS管，也就是調整管部分，下面就是那個反饋電路。

經典電路LM1117

這個穩壓器對於新進的工程師來說絕對不陌生，幾乎所有的電源電路中都能見到。

Vout可調，預設的話直接ADJ接地，3.3V或者5V；想調壓可以通過改變電阻R2的阻值。

他的內部原理也是一樣的，調整管部分和檢測反饋電路部分。

其實大多數工程師在設計LDO電路的時候，參考線性穩壓器的資料手冊裡面的典型電路就行，人家怎麼說，咱們就怎麼做。

使用LDO的關鍵效能引數

最小壓降

最小壓降決定你的電路能不能正常工作。

舉個例子，大家看這個電路可以正常工作嗎？

首先，我們要查一查AMS1117工作手冊就能發現

當輸出電流為1A的時候，壓降的典型值是1.3V，而鋰電池正常工作狀態時電壓範圍是4.5V—3.3V，你想要3.3的輸出，3.3+1.3=4.6V。

而我們常見的鋰電池，根本提供不了這麼高的電壓值。

所以這個電路很難正常工作。

壓降又和什麼有關呢？那肯定是調整管了。

有這樣幾個特點：

• 不同的晶片設計工藝和結構，壓降不同
• 壓降和工作電流有較大關係（調整管有一個內部阻抗的）
• 電流越大，溫度越高，壓降越大
• 壓降越小某些時候可以優化效率，當然也越貴

輸入電壓

熱插拔效應，其實每一個導線就類似於電感，有電感就少不了振盪。可能5V的穩壓，當剛插進去的時候能達到10V。

所以輸入電壓的選擇儘量遵守下面幾點：

• 器件耐壓要考慮輸入電壓的最高瞬態值
• 長導線的輸入電壓電纜要考慮浪湧電壓
• 耐壓越高，通常價格越貴
• 通常按2倍以上取耐壓值比較安全

輸入電流

這個就好理解了，不能小馬拉大車嘛，輸出不了需要的電流肯定是沒辦法讓電路正常工作的。

選擇的時候注意以下幾點：

• 晶片的輸出電流能力，表徵的是理想狀況
• 實際輸出能力與輸入輸出壓差及電流相關
• 需要的輸出電流越大，散熱問題越嚴重
• 通常大電流應用，用開關電源替代LDO

熱阻引數

常看三個引數：

TJMAX：晶片核心正常工作的最高溫度
0JC：晶片核心到晶片外殼的每W溫升
0JA：晶片核心到外部環境的每W溫升

我們最應該關注的是0JA這個引數。

5V轉3.3V電流0.5A環境溫度25°C：晶片溫度=25+(5-3.3)x0.5x40=59°c

紋波/噪聲

紋波是由於直流穩定電源的電壓波動而造成的一種現象，因為直流穩定電源一般是由交流電源經整流穩壓等環節而形成的，這就不可避免地在直流穩定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩定量上的交流分量就稱之為紋波。

記住一個重要引數PSRR，輸出比輸入，然後20log一下。

以及下面幾個特點：

• LDO的紋波噪聲通常小於0.1mV
• 開關電源的紋波噪聲通常大於10mV
• PSRR是非常重要的噪聲抑制指標
• 越是低頻的噪聲，越難抑制

瞬態響應

瞬態響應，可以通過增大電容來抑制，但不能消除，而且注意電容也不能太大了，不然會延長再次穩定的反應時間。

選擇時，注意一下幾點：

• 電源穩定性的重要引數
• 系統偶發性復位，可能是電源瞬態響應差
• 瞬態響應和負載電流突變幅度有關
• 瞬態響應和負載電流突變斜率有關

寫在最後

一個小小的電源設計就有這麼多道道，上面這些內容可能連電源設計的千分之一都算不上。

今天就到這裡了，祝大家早安，午安和晚安！

（看球去了，勇士打的是真鬧心，格林拿下吧趕緊）

參考文獻：

http://t.csdn.cn/UQmPx

https://www.cnblogs.com/iron2222/p/15852617.html

https://www.bilibili.com/video/BV1ya411L7Jj?vd_source=3602ab285cd1b8d5fa78a0f57368918c