电源设计的艺术：从底层逻辑到工程实践

news2024/9/24 13:40:48

在电子工程的世界里，电源设计是核心中的核心。它不仅是电子设备的能量源泉，更是整个系统稳定运行的基石。随着科技的不断进步，电源设计的要求也越来越高，从效率、稳定性到体积、成本，每一个维度都是工程师们不断追求的目标。今天，我们将从底层逻辑出发，探索电源设计的精髓，并推荐一些值得一读的书籍，以助力硬件工程师们在这一领域的进阶。

电源设计的底层逻辑

电源设计，首先需要理解的是电源的基本原理。电源系统通常包括交流到直流(AC/DC)转换、直流到直流(DC/DC)转换、电池管理等几个关键部分。每个部分都有其独特的设计挑战和优化策略。

1. 交流到直流(AC/DC)转换

AC/DC 转换是将交流电源转换为电子设备所需的直流电源。这一过程通常涉及整流、滤波和稳压三个步骤。整流器将交流电转换为脉动直流电，滤波器减少电压波动，而稳压器则确保输出电压的稳定性。

2. 直流到直流(DC/DC)转换

DC/DC 转换器用于在不同电压水平之间转换电能，它们可以是降压、升压或双向转换器。这些转换器的设计需要考虑效率、噪声、输出电压的稳定性和响应时间。

3. 电池管理

随着便携式设备的普及，电池管理变得越来越重要。电池管理系统(BMS)需要监控电池的电压、电流、温度，并确保电池的安全和寿命。

电源设计的精髓

理解了电源的基本原理后，电源设计的精髓在于如何将这些原理应用到实际的工程实践中，以满足特定的性能要求。以下是一些关键的设计要点：

1. 高效率

高效率意味着电源系统在转换过程中的损耗更低，这不仅能够节省能源，还能减少热量的产生，提高系统的可靠性。

2. 稳定性

电源的稳定性对于电子设备的运行至关重要。设计时需要考虑输入电压的变化、负载的变化以及温度的变化等因素。

3. 小型化

随着便携式设备的普及，电源设计也需要越来越小型化。这要求工程师在设计时需要考虑如何优化电路布局，减少元件数量和体积。

4. 成本效益

成本是商业产品开发中不可忽视的因素。电源设计需要在满足性能要求的同时，尽可能地降低成本。

书籍推荐

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作者简介

王玉皞
博士，二级教授，博士生导师，IET Fellow，IEEE Senior Member，中国通信学会高级会员，教育部首批创新创业导师，“井冈学者”特聘教授，江西省百千万人才工程入选者，上饶师范学院党委副书记，江西省应用光学技术重点实验室主任。
朱晓明
“硬件十万个为什么”创始人，拥有约 20 万硬件工程师粉丝。曾任华为硬件经理、维护经理、产品经理、产品规划师、系统设计师。有近 20 年硬件研发经历，参与设计及维护的硬件产品种类非常丰富，包括海军装备、电信设备硬件平台、监控安防、服务器、智能终端等。
谢建宇
浙江大学硕士，电力电子研究方向。十多年设计及技术支持从业经验。原 MPS 汽车电子 FAE 经理，杰华特微电子股份有限公司市场总监，擅长 DC/DC 的原理和应用，以及 EMC 优化。