嵌入式系统电源设计决巧，搞定电压转换!
2025/3/5 22:51:50 点击：
嵌入式电源系统，作为嵌入式系统中的关键组成部分，主要负责提供直流基础电能。这种电源设备集成了多种安全、可靠、高性能的供电技术，为嵌入式设备稳定运行提供有力支持。其输入通常为交流市电，经过一系列转换后，输出常见的直流电压如12V、5V和3V，从而满足不同设备的需求。
在嵌入式系统中，交流电源扮演着至关重要的角色，它是系统电能的主要来源之一。通过市电输入，经过转换器等设备的变化、转化操作，交流高压电被安全有效地转变为低压直流电，为系统提供稳定的电能
此外，电池也是许多嵌入式系统直接供电的电源。对于功耗较小且需要长时间连续工作的设备，如手机、传感器等，电池供电成为不可或缺的选择。在嵌入式系统中，电池的容量会根据不同的应用场景需求进行调整和优化。
为了满足嵌入式系统中多种电压的需求，稳压器成为了一种常见的元器件。它配合交流电源与电池使用，能够将电压稳定在所需范围内，确保系统的正常运行。
电源管理
嵌入式系统的一个重要需求是降低功耗，特别是在电池供电且长时间无人看管的设备上，功耗问题显得尤为重要。在电池容量有限或设备数量庞大的情况下，系统的整体功耗更是关键
为了应对这一挑战，大多数嵌入式系统都会配备基础电源管理功能。这些功能旨在优化功耗，确保系统在满足性能需求的同时，尽可能降低能源消耗。
（1）系统上电行为管理
嵌入式系统组件通常在系统启动后才会进入低功耗模式。因此，在上电阶段，这些组件会以较高功率运行。然而，许多设备在上电时并不需要立即工作。为了减少功耗，需要有效管理这些设备，确保它们在上电后能迅速进入低功耗状态。
（2）空闲模式优化
CMOS电路的功耗主要来源于电路时钟的工作。通过关闭不必要的时钟，可以显著降低功耗。现代嵌入式系统使用的元器件通常具备外部事件唤醒功能。在不使用某些模块时，主处理器可以向这些元器件发送“睡眠”指令，使其进入低功耗状态。当需要重新触发模块工作时，可以通过特定的触发事件来唤醒它们。
（3）断电策略应用
尽管采取了上述措施，但某些电路元器件在低功耗模式下仍会因逆向偏压泄露而损耗电能。对于这类元器件，如果它们长时间不使用或低功耗模式下的电能消耗较大，可以考虑采用断电策略来进一步减少功耗。
（4）电压与频率缩放
有效功率与切换频率呈线性关系，而与电源电压的平方成正比。因此，在嵌入式系统中，可以通过降低电压来节约功率，特别是在某些组件经常以较低频率运行时。这种电压与频率的缩放策略可以在不降低系统性能的情况下，有效减少能源消耗。
以一个具体的嵌入式系统为例，其数字电路部分需要直流电源供电。该系统采用开关电源将220V交流电转换为直流电压，再利用低压线性稳压器为各个子模块供电。通过这样的电源管理策略，系统能够在满足性能需求的同时，实现高效的能源利用。
在电源管理设计中，为了防止模拟信号与数字信号地线之间的相互干扰，我们采用了将220V交流电压转换为两个独立直流电源的方法。这两个直流电源分别负责为模拟电路和数字电路提供稳定的电源供电。此外，针对该项目中所需的多种不同电压，如12V、24V、5V、8V、-8V和3V等，我们设计了相应的电源管理系统拓扑结构，以确保系统能够高效且稳定地运行
具体实现过程如下：
+12V 转 +8
我们采用了LM7808三端集成稳压电路来实现这一转换。这款电路能够精确地将12V直流电源降压至+8V。在设计中，需要确保输入电源的稳压值比输出高一定压差，以实现稳定的8V输出。同时，要注意电流不要超过稳压电路的承载能力
在电路设计时，两端的电容都起到滤波作用，平滑电压并提高抗干扰能力。输出端并联的220HF/25V电解电容，由于其白谐频率较低，能有效储能和滤波，消除低频干扰。但需注意，大电容的电解电容自身存在电感，对高频和脉冲干扰信号的滤除效果不佳。因此，通常还会并联一个或几个容值较小的陶瓷电容，以进一步滤除高频干扰信号。对应的设计如图3-3所示。
+12V 转 -8V
我们采用了NE555芯片来实现这一电压转换。这款芯片巧妙地将模拟与逻辑功能融为一体，作为8脚集成电路，自1971年由Signetics公司问世以来，便以其出色的性能和商业价值在业界占据一席之地。其快速且稳定的特性，使得在随后的40余年间被广泛应用，并衍生出众多应用电路。尽管基于CMOS技术的版本（如Motorola的MC1455）已大量涌现，但原版的NE555仍受市场青睐，其脚位功能保持不变，使得新版IC可直接替换，应用范围广泛。其典型电源转换电路如图3-4所示。
在其设计过程中，当NE555的第三脚呈现高电平状态时，D1会向C1充电，使得电压能够达到11V。而在NE555输出低电平时，D1则会被C2反向偏置而截止。经过多次循环，C3的电压会逐渐升高，最终达到8V，从而相对于地线输出-8V的电压。
对于+12V转+5V的转换，我们选用了开关型集成稳压芯片LM2596。这款芯片内置了固定频率振荡器和基准稳压器，并配备了全面的保护电路、热关断电路以及电流限制功能。作为降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，LM2596能够输出高达3A的驱动电流，同时展现出优秀的线性和负载调节特性。其固定输出版本包括3V、5V和12V，而可调版本则能输出小于37V的各种电压。LM2596进行+12V转+5V转换的典型电路图如图3-5所示。
+5V 转+3V
为了实现+5V到+3V的转换，我们选用了LM1117-3这款低压差线性稳压器。该稳压器能够在允许的输入电压范围内，稳定输出3V的电压。其电路图如图3-6所示，清晰展示了如何利用LM1117-3来进行这一转换。
+24V 转+5V
为了实现+24V到+5V的转换，我们选用了WD5-24S5这款DC-DC电源模块。WD5系列模块拥有5W的强大输出功率，同时具备宽电压输入、输入/输出隔离以及小型化封装等多项优势。
在嵌入式系统中，交流电源扮演着至关重要的角色，它是系统电能的主要来源之一。通过市电输入，经过转换器等设备的变化、转化操作，交流高压电被安全有效地转变为低压直流电，为系统提供稳定的电能
此外，电池也是许多嵌入式系统直接供电的电源。对于功耗较小且需要长时间连续工作的设备，如手机、传感器等，电池供电成为不可或缺的选择。在嵌入式系统中，电池的容量会根据不同的应用场景需求进行调整和优化。
为了满足嵌入式系统中多种电压的需求，稳压器成为了一种常见的元器件。它配合交流电源与电池使用，能够将电压稳定在所需范围内，确保系统的正常运行。
电源管理
嵌入式系统的一个重要需求是降低功耗，特别是在电池供电且长时间无人看管的设备上，功耗问题显得尤为重要。在电池容量有限或设备数量庞大的情况下，系统的整体功耗更是关键
为了应对这一挑战，大多数嵌入式系统都会配备基础电源管理功能。这些功能旨在优化功耗，确保系统在满足性能需求的同时，尽可能降低能源消耗。
（1）系统上电行为管理
嵌入式系统组件通常在系统启动后才会进入低功耗模式。因此，在上电阶段，这些组件会以较高功率运行。然而，许多设备在上电时并不需要立即工作。为了减少功耗，需要有效管理这些设备，确保它们在上电后能迅速进入低功耗状态。
（2）空闲模式优化
CMOS电路的功耗主要来源于电路时钟的工作。通过关闭不必要的时钟，可以显著降低功耗。现代嵌入式系统使用的元器件通常具备外部事件唤醒功能。在不使用某些模块时，主处理器可以向这些元器件发送“睡眠”指令，使其进入低功耗状态。当需要重新触发模块工作时，可以通过特定的触发事件来唤醒它们。
（3）断电策略应用
尽管采取了上述措施，但某些电路元器件在低功耗模式下仍会因逆向偏压泄露而损耗电能。对于这类元器件，如果它们长时间不使用或低功耗模式下的电能消耗较大，可以考虑采用断电策略来进一步减少功耗。
（4）电压与频率缩放
有效功率与切换频率呈线性关系，而与电源电压的平方成正比。因此，在嵌入式系统中，可以通过降低电压来节约功率，特别是在某些组件经常以较低频率运行时。这种电压与频率的缩放策略可以在不降低系统性能的情况下，有效减少能源消耗。
以一个具体的嵌入式系统为例，其数字电路部分需要直流电源供电。该系统采用开关电源将220V交流电转换为直流电压，再利用低压线性稳压器为各个子模块供电。通过这样的电源管理策略，系统能够在满足性能需求的同时，实现高效的能源利用。
在电源管理设计中，为了防止模拟信号与数字信号地线之间的相互干扰，我们采用了将220V交流电压转换为两个独立直流电源的方法。这两个直流电源分别负责为模拟电路和数字电路提供稳定的电源供电。此外，针对该项目中所需的多种不同电压，如12V、24V、5V、8V、-8V和3V等，我们设计了相应的电源管理系统拓扑结构，以确保系统能够高效且稳定地运行
具体实现过程如下：
+12V 转 +8
我们采用了LM7808三端集成稳压电路来实现这一转换。这款电路能够精确地将12V直流电源降压至+8V。在设计中，需要确保输入电源的稳压值比输出高一定压差，以实现稳定的8V输出。同时，要注意电流不要超过稳压电路的承载能力
在电路设计时，两端的电容都起到滤波作用，平滑电压并提高抗干扰能力。输出端并联的220HF/25V电解电容，由于其白谐频率较低，能有效储能和滤波，消除低频干扰。但需注意，大电容的电解电容自身存在电感，对高频和脉冲干扰信号的滤除效果不佳。因此，通常还会并联一个或几个容值较小的陶瓷电容，以进一步滤除高频干扰信号。对应的设计如图3-3所示。
+12V 转 -8V
我们采用了NE555芯片来实现这一电压转换。这款芯片巧妙地将模拟与逻辑功能融为一体，作为8脚集成电路，自1971年由Signetics公司问世以来，便以其出色的性能和商业价值在业界占据一席之地。其快速且稳定的特性，使得在随后的40余年间被广泛应用，并衍生出众多应用电路。尽管基于CMOS技术的版本（如Motorola的MC1455）已大量涌现，但原版的NE555仍受市场青睐，其脚位功能保持不变，使得新版IC可直接替换，应用范围广泛。其典型电源转换电路如图3-4所示。
在其设计过程中，当NE555的第三脚呈现高电平状态时，D1会向C1充电，使得电压能够达到11V。而在NE555输出低电平时，D1则会被C2反向偏置而截止。经过多次循环，C3的电压会逐渐升高，最终达到8V，从而相对于地线输出-8V的电压。
对于+12V转+5V的转换，我们选用了开关型集成稳压芯片LM2596。这款芯片内置了固定频率振荡器和基准稳压器，并配备了全面的保护电路、热关断电路以及电流限制功能。作为降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，LM2596能够输出高达3A的驱动电流，同时展现出优秀的线性和负载调节特性。其固定输出版本包括3V、5V和12V，而可调版本则能输出小于37V的各种电压。LM2596进行+12V转+5V转换的典型电路图如图3-5所示。
+5V 转+3V
为了实现+5V到+3V的转换，我们选用了LM1117-3这款低压差线性稳压器。该稳压器能够在允许的输入电压范围内，稳定输出3V的电压。其电路图如图3-6所示，清晰展示了如何利用LM1117-3来进行这一转换。
+24V 转+5V
为了实现+24V到+5V的转换，我们选用了WD5-24S5这款DC-DC电源模块。WD5系列模块拥有5W的强大输出功率，同时具备宽电压输入、输入/输出隔离以及小型化封装等多项优势。
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