供電系統是所有產(chǎn)品(包括干線(xiàn)供電產(chǎn)品和電池供電產(chǎn)品)必不可少的組成部分，它可以實(shí)現和確保所有電路區域正常工作。除了提供工作動(dòng)力之外，有些供電系統還可以檢測甚至在某些情況下校正復雜電路中的異常。

從過(guò)去到現在，能源一直都是技術(shù)市場(chǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。隨著(zhù)無(wú)數公司積極向“綠色”(也稱(chēng)為環(huán)保)方向發(fā)展，監管機構期望通過(guò)制定能效標準來(lái)降低功耗，每個(gè)人都希望節能。甚至消費者也在低電費的美好愿景下怦然心動(dòng)，開(kāi)始尋找可能節省電費的產(chǎn)品和設備。

并非只有能源OEM專(zhuān)注于降低能耗。整個(gè)技術(shù)社群有著(zhù)相同的目標。畢竟，即使你能夠設計出功效最高、超級環(huán)保且優(yōu)于所有現行法規章程的電源產(chǎn)品，甚至是一些前人從未想到的電源產(chǎn)品，但是如果這個(gè)產(chǎn)品被用在一批設計超爛、功效極低的電路上時(shí)，你所有的付出還是會(huì )歸結為零。

仔細分析基本技術(shù)

目前有幾個(gè)流行的電源類(lèi)型和三個(gè)可用來(lái)實(shí)現高性能和高功效的可行技巧，包括線(xiàn)性穩壓、開(kāi)關(guān)模式和可編程電源，功率因子校正(PFC)、效率以及數字控制。下面我們將快速回顧一些基礎知識，然后再繼續討論。

大多數情況下，人們都假定供電是將高電平交流電壓轉換成相同或較低的直流電壓，然后再為特定電路或器件供電。當然，這樣的說(shuō)法并不完全正確，因為有的器件(也被稱(chēng)為供電)是將AC轉換為AC，將DC轉換為DC。為了便于討論，我們還是堅持這個(gè)假定，即供電(power supply)就是指AC/DC轉換器，而將DC/DC轉換器等其他器件都稱(chēng)為電源(power source)。

不管是復雜的、機密的還是外來(lái)的設計，大多數供電系統的前端都采用最為原始的技術(shù)。插墻式交流電進(jìn)入降壓或升壓變壓器，然后再饋入整流器和濾波電路。

供電可以相當簡(jiǎn)單，也可以非常復雜，這取決于具體應用對直流電源的需要。對于實(shí)驗、業(yè)余愛(ài)好和一些直流器件的供電，或許一個(gè)基本的單極性供電(圖1)就足夠了。

由于經(jīng)得起時(shí)間的考驗且器件數量很少，因此基本供電仍是目前許多最為先進(jìn)器件中的骨干�；�本供電僅由一個(gè)降壓交流變壓器、兩個(gè)整流器和一個(gè)濾波器電容組成。

輸出電壓和電流能力完全由變壓器的額定值確定。整流器二極管和濾波器電容則根據這些最大額定值來(lái)選擇。

對于需要雙極性供電的應用而言(圖2)，相同的供電部分只要增加兩個(gè)二極管和另外一個(gè)濾波器電容即可實(shí)現簡(jiǎn)單轉換，生成所謂的浮點(diǎn)接地。一個(gè)可以實(shí)現更穩定、噪聲更少的稍勝一籌的方法，是將變壓器(圖3)更換為次級線(xiàn)圈帶有中心抽頭的變壓器，從而提供電路的接地。

此外，對于簡(jiǎn)單的設計而言，基本供電就足夠了。但是對于復雜的數字設計，這些簡(jiǎn)單的拓撲所帶來(lái)的不足相當明顯，令人無(wú)法忍受。

首先，輸出電壓一般是實(shí)際所需輸出電壓的接近值，即需要12V時(shí)為13.4V；其次，由于溫度和交流線(xiàn)路情況，電壓和電流漂移沒(méi)有補償；第三，減少紋波的唯一方法是增加更大和/或更多的濾波器電容。

其他考慮因素包括：是否需要多個(gè)輸出、用戶(hù)安全和電路保護、熱條件、PFC、控制以及是否需要滿(mǎn)足機構對效率等關(guān)鍵因素提出的要求。

基本電源之外的高級電源

略比基本電源高級的是線(xiàn)性穩壓電源，這種電源可將輸出電壓鎖定至精確值，同時(shí)可緩沖輸出，防止輸入電壓和負荷出現波動(dòng)。這種穩壓器還可以減少紋波和噪聲。

在某些情況下，線(xiàn)性穩壓器對電流進(jìn)行限制，防止電源出現過(guò)流。線(xiàn)性穩壓電源的另一個(gè)功能是可調節輸出，這使其可用于實(shí)驗室和維修站應用。

再往上則是開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，這種電源工作時(shí)無(wú)需大變壓器。它們可接受交流輸入電壓，從而通過(guò)電源的開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)(接近50kHz至1MHz的速度)。

至SMPS的輸入先經(jīng)過(guò)整流器，將交流轉換成不穩定的非穩壓直流。然后該直流進(jìn)入逆變器(交流變換器)電路，通過(guò)功率振蕩器將該直流轉換成交流。

通過(guò)一個(gè)小輸出變壓器在20kHz的頻率下工作時(shí)，這種交流變換器級耦合至輸出濾波器和整流器，交流再次轉換成最終輸出的直流。為進(jìn)行穩壓，部分輸出通過(guò)控制器電路被饋回至交流變換器級。

與其他類(lèi)型的供電相比，SMPS具有諸多優(yōu)勢，應用范圍非常之廣，從電腦到醫療設備。這些優(yōu)勢包括高效率、元件尺寸更小重量更輕以及發(fā)熱更低。

當然，這些優(yōu)勢的代價(jià)是電路復雜性更高，并且需要分別通過(guò)低通濾波和PFC來(lái)解決電磁干擾(EMI)和諧波失真問(wèn)題。

可編程供電適合自動(dòng)測試設備(ATE)、工業(yè)、醫療領(lǐng)域中更為專(zhuān)門(mén)的應用，可以使用戶(hù)遠程控制輸出電壓、電流，并通過(guò)GPIB、USB和RS-232等接口控制頻率。

可編程供電通常采用微處理器、編程電路、分流和各種回讀電路。這種電源也包含過(guò)流、過(guò)壓、短路和溫度補償等各種保護電路，并且可輸出直流、交流(單相或兩相)和/或ac + dc偏置。

面向更優(yōu)供電性能的技術(shù)

無(wú)論何種類(lèi)型，供電功能是任一電子設備或系統的核心。除提供和輸送工作動(dòng)力(系統的血液)之外，供電還可以為自身及其供電的電路提供電路保護，將自身、系統和用戶(hù)與輸電線(xiàn)進(jìn)行隔離，并實(shí)現整體工作的更高效率。當然，許多此類(lèi)功能是為了滿(mǎn)足某些機構提出的要求。

目前，供電設計工程師對極板的主要考量包括散熱問(wèn)題、效率和控制。當然，尺寸永遠都是挑戰。在不久的將來(lái)，可能會(huì )有聰明的設計工程師設計出栓劑大小的60GW SMPS。下面，我們將闡述實(shí)現更高效率并滿(mǎn)足機構要求的技術(shù)。

功率因數校正 在消費電子以及其他應用中是否有必要采用PFC？目前關(guān)于此業(yè)界仍然存在爭議。有些人認為PFC電路不會(huì )提高效率，而且會(huì )增加供電過(guò)程所產(chǎn)生的熱量；但也有人宣稱(chēng)，從功耗降低和提升效率的角度來(lái)看，PFC非常利于環(huán)保。雖然爭議仍在繼續，但是能源之星(Energy Star)和歐洲供電制造商協(xié)會(huì )(EPSMA)等管制機構，要求電源制造商將PFC集成到所有的電源產(chǎn)品中。

功率因子是正弦電壓與電流波形之間的相差，被公認為是負荷的實(shí)際功率與視在功率之比，其結果為0到1之間的小數和/或由小數化成的百分比。

理論上，與具有高功率因子的電力系統相比，具有低功率因子的功率系統汲取的電流更多。更高的電流會(huì )轉化成更多的能量損失，從而產(chǎn)生更高的能量成本。簡(jiǎn)言之，PFC可以增加電力的功率因子值。

PFC電路有兩種明顯的類(lèi)型：主動(dòng)和被動(dòng)。主動(dòng)或被動(dòng)校正電路用于SMPS，可降低交流電流的RMS值，從而提高功率因子，同時(shí)提供過(guò)流保護。

在成本效益方面，主動(dòng)PFC的成本更高，但是其可獲得90%以上的功率因子值；被動(dòng)PFC成本更低，可實(shí)現的功率因子值大約為80%至86%。

效率 按照TI的說(shuō)法，供電(SMPS)效率可直接通過(guò)輸出功率除以輸入功率來(lái)計算。要計算效率的百分比，可使用以下公式：

效率(%) = (VOUT ? IOUT)/(VIN* IIN) *100%

幾乎所有人都認為高效率對于所有相關(guān)因素而言都是一件好事。但是效率值實(shí)際上意味著(zhù)什么呢？

“對比75%與90%的供電效率時(shí)，節省的用電量和以發(fā)熱形式浪費的能量相當重要。”TDK-Lambda美國公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁David Norton表示。

對于消費者來(lái)講，效率越高，電費就越低。對于耗電量節節攀升的數據中心和服務(wù)器，這種優(yōu)勢產(chǎn)生的效果就相當顯著(zhù)了。而對于走環(huán)保路線(xiàn)的廠(chǎng)商（比如醫療設備制造商等眾多廠(chǎng)商）來(lái)講，更高的效率是一個(gè)廣受歡迎的有利優(yōu)勢。

能源之星和80plus等監管機構正在密切關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。比如，TDK Lambda的DT100-C和DT150-C系列外接AC/DC供電(圖4)符合包括EISA、CEC、能源之星EPS Version 2.0、Efficiency Level V等嚴格的能量要求，分別可提供額定功率從100W到150W的各種型號。這兩大系列產(chǎn)品采用了滿(mǎn)足EN61000-3-2標準要求的主動(dòng)PFC，可在90至264Vac(47至63Hz)的常規輸入范圍內工作。

數字控制 像所有的電子器件或者電路一樣，供電通過(guò)控制來(lái)使它們與其驅動(dòng)的應用保持一致。模擬控制方案和設備過(guò)去一直采用電壓和電流控制以及脈寬調制等各種功能來(lái)實(shí)現控制，這些功能仍然沿用至今。

但是，由于設計工程師和OEM一直都在尋找降低成本和器件數(占用空間)的方法，數字控制應運而生。與模擬技術(shù)相比，數字控制可以提供諸多優(yōu)勢，比如對器件引起的變化的耐受能力、執行復雜控制算法的能力、自校準和更快的性能等。

對于SMPS而言，設計工程師通過(guò)高度集成且經(jīng)濟的微控制器、微處理器和數字信號處理器，即可運用自如地實(shí)現數字控制。此外，數字控制還可以通過(guò)TI TMS320LF2407等數字控制器來(lái)實(shí)現。一些設計工程師表示，優(yōu)秀的數字控制在供電系統中的目的，就是為了實(shí)現比模擬控制器更好的動(dòng)態(tài)性能。

大多數采用數字控制的供電都屬于可編程供電范疇，但是這種情況在慢慢發(fā)生改變。TDK的EFE系列(圖5)嵌入式前端電源，采用8位MCU來(lái)實(shí)現全數碼控制輸出和處理內務(wù)運作程式。據TDK表示，與同類(lèi)器件相比，這樣做可以將器件數減少25%、尺寸減小45%、重量減輕56%。

300W EFE-300和400W EFE-400單路輸出供電可提供可提供133%的峰值功率能力(持續時(shí)間為10s)，以及高達90%的效率。EFE-300具有1U外形，尺寸為3×5×1.34英寸，EFE-400的尺寸為3×6×1.34英寸。EFE-300可提供300W的連續功率和持續時(shí)間為10s的400W峰值功率，標稱(chēng)輸出為12V/25A或24V/12.5A。EFE-400可輸出400W的連續功率和持續時(shí)間為10s的530W峰值功率，標稱(chēng)輸出為12V/33.3A或24V/16.7A。