题目(中)现代电源之我见——嵌入式系统的供电电源 (英) My View of the Modern Power——the Power Supply of the Embedded System
专业与班级: 控制1102
姓名: _王文 _______________
学号: 3110104864
指导教师: 马皓张军明石健将
现代电源之我见——嵌入式系统的供电电源
专业和班级：控制1102 姓名：王文指导教师：马皓、张军明、石健将
摘要：
本文介绍了为嵌入式系统供电的常见二次电源设计方法，针对不同型号微处理器如单片机等提供了不同的二次电源设计方法，介绍了不同稳压芯片的区别和选取，以及双电源分时供电的设计思路。

嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，而嵌入式系统是现代小型控制系统的主流设计方案，因此，嵌入式系统的供电电源成为现代电源必不可少的组成部分。

关键词：
现代电源、嵌入式系统、单片机、二次电源
1引言
现代电源技术是应用电力电子器件，综合自动控制、计算机技术和电磁技术等的多学科边缘交叉技术，其关键技术是电力电子技术。

随着单片机技术和控制原理的发展，嵌入式系统应运而生。

嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电器工程师协会（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。

与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。

嵌入式系统的核心是微处理器或单片机（MCU）。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

从根本上讲，单片机由各种逻辑门电路集合而成，而门电路的工作需要稳定的电压，电压不稳定必将导致逻辑混乱，并且不同的单片机的工作电压不同，如STC12C系列单片机工作电压为5V，而STC12LE系列单片机工作电压为3.3V，这就对单片机或嵌入式系统的供电电源提出了严格的要求，即电源要能够提供稳定的、无干扰的针对相应微处理器的电压。

但是就目前来看，市电为220V交流电，大部分干电池、蓄电池无法提供满足要求的电压，所以嵌入式系统的电源要能够变交流为直流，并具有很好的稳压作用。

2AC/DC部分
2.1设计思路
由于市电是220V大电压，所以需先经过变压器降压；然后利用晶体二极管的单向导通性，将工频交流电转换为脉冲直流电；但是直流信号中仍包含着交流成分，所以还需要滤波电路。

因此AC/DC部分包括电压变压器、整流电路、滤波电路三部分。

如图
图1 AC/DC 原理图
2.2 电压变压器
根据不同的输出电压选择不同的变压器。

例如，如果最终输出为5V ，由于稳压
芯片在输入电压至少大于输出电压2V 的情况下才能正常工作，所以要求整流后的有
效值至少为7V ，由计算公式1987)7()220(2
221==n n 得到变压器原边和附边的比为987:1。

2.3 整流电路
整流电路有多种形式，如单相半波整流电路，单相全波整流电路，单相桥式整流
电路等。

其中单相桥式整流电路不改变变压器输出电压最大值，波形完整，且二极管受到的最大反向电压低，因此应用最广泛。

如图
图2 整流电路
整流后波形如图
图3 整流后波形
2.4 滤波电路
在整流输出和稳压芯片之间并联一个电容进行滤波，电容选取原则应使电路的时
间常数τ大于3~5个电容的充电周期0.01s ，如当电阻R=2k Ω时，电容C 应满足C
≥25μF 。

3 DC/DC 部分
由于经过整流和滤波后的电压往往比较高，所以需进一步稳压到所需电压。

这一步
骤需要稳压芯片。

最常用的是三端稳压芯片。

顾名思义，三端IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

三端稳压IC 的电压有固定输出型和可调型两类，如L78X 、L79X 系列固定输出稳压芯片、LM 系列三端可调稳压器等。

固定电压输出的稳压IC 只需连接各端即可输出较稳定电压，不需调试，使用方便；可调稳压IC 应根据不同需要，在调节端与地之间连接一可调电阻，就能方便地在输出端得到所需的电压。

用78/79系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

如，要求输出电压为+5V 时，可选用L7805；要求输出电压为+12V 时，可选用L7812；若要求
输出电压为3.3V，可选用LM2596，该芯片不但可以输出3.3V电压，还可以输出5V、12V 等电压。

如图为L7805稳压芯片的应用电路。

图4 L7805稳压电路
图中输入端并联的两个电容起滤波作用，将输入给L7805的电压进行滤波，以减少纹波；输出端并联的电容的作用是对输出电压进行滤波，进一步消除纹波，使输出电压更“干净”；并联的LED起指示作用。

4仿真结果
采用orCAD对上述AD/DC和DC/DC电路进行仿真，仿真结果如下。

图5 输出VCC仿真结果
仿真结果表明输出电压一直稳定在5V。

以下是纹波的仿真结果。

图6 输出电压的纹波电压仿真结果
仿真结果显示，输出电压的纹波电压幅值ΔVCC=0.06mV，与5V相比完全可以忽略不计，而且0.06mV对单片机的逻辑没有丝毫影响，这都证明上述稳压电路能很好的作为MCU的二次电源。

5双电源分时供电的尝试性设计
如下图所示为双电源分时供电的一个例子。

图7 双电源分时供电
图中，两个“+12V ”为两个不同的电源。

由于单个电源用了一段时间之后，内阻会
增大，导致输出电压明显降低，如果不采取措施，输出电压降到一定程度时将会使MCU 逻辑混乱，带来不可估量的损失。

用双电源比单电源工作时间长，而且省去了检测电压和更换电源的繁琐步骤。

当第一个电源的输出电平低于设定电平（本例中为9V ）时，第一个电源自动关断，第一个电源开始供电。

实现关断功能的元件是可控硅，监测电压的电压监测仪，本例中用的是AX301。

可控硅一个很好的特点就是必须满足两个条件它才能导通，即当正向电压和控制信
号电压同时存在时它才能导通。

控制信号来自AX301电压监测芯片。

AX301是一款极低功耗的电池电压监测芯片，特别适合单节或多节锂电池，多节碱性电池，镍镉电池，镍氢电池和多节铅酸电池的电压监测。

当电池电压低于设定的下行阈值时，AX301输出低电平，当电池电压大于上行阈值时，AX301输出高电平。

AX301的下行阈值为1.135V ，设定电源输出电平低于9V 时第二个电源供电，因此需要在电源和AX301之间设计电阻网络来拉低电源输出电平。

依据公式2
12*R R R U LBI +=得，当LBI=1.135V ，设定电平U=9V 时，得到72
1≈R R 。

为了减少不必要的功率损耗，选取1R =70k Ω，2R =10k Ω，当电源输出电平小于9V 时，LBI 将小于下行阈值，AX301输出低电平，关断D1，打开D2，第二个电源开始工作。

考虑到可控硅和AX301的延时时间，为防止电路在第一个电源向第二个电源切换过程中掉电，从而导致MCU 逻辑混乱，加入了电容1C 和2C ，在切换瞬间，由于电容电压不可突变性，送给MCU 的电压在第二个电源开始供电之前不会突变到很低。

并联电容既可以起到滤波作用，也可以防止电源切换过程中MCU 掉电。

6 结束语
现代生活越来越趋向于数字化和自动化，嵌入式控制系统将继续在各行各业中发挥
不可替代的作用。

人们对控制系统电源的稳定性和可靠性的要求将越来越高，了解一些基本的控制系统电源，对MCU 供电系统进行设计、改造、更新，使控制系统更加可靠、稳定，将会一直成为人们不懈努力的方向。

参考文献
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