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摘要：拥有一个优质的电源模块是使单片机应用系统或数据采集系统稳定、安全地工作的重要保障。但不同系统会有不同要求，本文就针对该模块的设计作了些探讨，并阐述了进行电源模块设计时需要掌握的一些要点，包括设计方案的确定、稳压和变压环节的处理、为获得高性能电源模块需采用的诸多特殊措施等等，希望能给需要进行电源模块设计的初学者带来有益帮助。
关键词：单片机；数据采集；电源模块；设计
中图分类号：TP303+.3 文献标码：B 文章编号：1009-3044(2007)06-11690-01
1 引言
电源模块是单片机应用系统或数据采集系统中不可缺少的部分，但不同系统会有不同要求，本文就针对该模块的设计作些探讨。
2 相关知识
设计时通常提倡采用“器件解决”途径（即尽量寻找合适电源芯片来解决难题）的指导思想，故对电源器件的了解是很必要的。为讨论方便现先给直流电源器件做个分类：
2.1 按原理分类[1]
a)线性稳压电源
线性电源是调整管工作在放大区域的电源，它通过改变调整元件的控制信号强弱来调节其等效电阻大小，从而稳定输出电压。其特点是纹波系数小，但效率低，一般适用于小功率的电子电路。
b)开关稳压电源
开关电源是调整管工作在开关状态，通过改变开关管的导通时间，来得到稳定的电压输出。其特点是纹波系数大，电磁兼容性差、但效率高，过载能力强，一般适用于大功率或要求效率高的场合。
2.2 按用途分类
a)通用型：常用的有线性类型的稳压电源器件、开关类型的变换电源器件；
b)专用型：一些多功能的、专门用途的电源器件。
3 模块设计
实际中给系统供电的一般是已经过工频整流、滤波、一次稳压的直流电源，或直接采用各种电池，故此处就不讨论这部分。
3.1 方案确定
对一个需要多组电源电压的系统来说，通常有以下几个方案[2]:
1)采用一个具有多路输出的隔离型DC/DC模块;
该方案实际是一个区域的集中式供电，存在着集中式供电的一些弱点，另外也很难获得满足系统实际需求的商品化多路输出DC/DC模块，参见图1（a）。
2)采用多个不同的隔离型DC/DC模块获得多组电源;
该方案最为简单，只须根据系统要求购买合适的商品化模块，然后按照制造商的规定将其安装到系统中，不需要太多设计就可达到过压、过流保护、热管理等方面的系统要求。缺点是成本过高，原因是每个模块都有独立的隔离变压器、反馈环路及其它一些相关元件,参见图1（b）。
3)采用一个隔离型DC/DC获得系统主电源，然后由系统利用多个非隔离DC/DC变换模块获得各种电源。
该方案可以获得最低的成本。由一个DC/DC转换器提供隔离及系统主电源，其它电源采用廉价的拓扑变化获得。一般来说，除主电源之外的其它辅助电源功率相对较低，且多数不需要和主电源隔离，因此实际实现起来比较容易，成本廉价，使系统成本得以优化，参见图1（c）。
3.2 几个关键环节的处理
1）二次稳压处理
对数字器件或稳定性要求较高的器件，通常需采用二次稳压处理。与此相关的可选用电源器件为线性稳压源类型，常用的如三端稳压源CW78XX,CW79XX等，示例[3]见图2（a）。设计中基本都要用到二次稳压处理。
2）升降压和倒相变压处理
在系统中一般都需要设计多个电压等级，如典型的有+/-3.3V用于微耗芯片供电；+/-5V用于单片机IC供电；+/-12V或+/-15V则为数据采集AD芯片所用，这时就需要采用升降压办法来变换电压值大小，而用倒相方式改变电压极性。与此相关的可选用电源器件多为开关型电压变换器件，如MAX系列电源芯片等，示例[3]见图2（b）、（c）、（d）。在设计中是必定要用到升降压和倒相变压处理的。
3.3 几个方面的考虑
(1)电源功率及效率考虑
功率和效率二者是所设计电源的质量参数，它们关联到驱动能力，低耗设计，系统安全运行，散热等问题。二者的含义[1]为(在电源正常输出时)：
ⅰ）电源功率=输出电压 输出电流；
ⅱ）电源效率=电源输出的功率/进入电源的功率。
设计中要求具有一定的过载能力。
(2)抗干扰能力：要求具有良好的电磁兼容性，常采用的措施如电源滤波、屏蔽与隔离、接地等[4]；
(3)电源监测及过欠压检测功能:目的是防止电源出现故障、过压或欠压，尤其对电池供电型系统是很必要的；
(4)低耗、散热考虑。
以上功能一般可通过选用专用型电源器件得到实现，请参看相关资料[5]。
4 结语
单片机应用系统或数据采集系统拥有一个优质的电源模块是其能稳定、安全工作的重要保障。本文分析了在设计电源模块时应掌握的一些要点，首先应根据系统的要求确定设计方案，文中介绍了三种常用方案 ；其次是稳压和变压这些关键环节的处理；最后介绍了为获得高性能电源模块需作的一些考虑等等。希望能给需进行电源模块设计的初学者带来有益帮助。
参考文献：
[1]李哲英.电子技术及其应用基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社,2003：328-333.
[2]郭锥.基于单片机的膛壁温度报警系统设计[D].南京：南京理工大学(硕士论文)，2006.
[3]林慧.智能电气阀门定位器的研究开发[D].天津：天津大学(硕士论文)，2003.
[4]刘光斌，刘冬，姚志成.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京：人民邮电出版社，2003：108-138.
[5]关德新，冯文全.单片机外围器件实用手册（电源器件分册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998：1-572.
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
关键词：单片机；数据采集；电源模块；设计
中图分类号：TP303+.3 文献标码：B 文章编号：1009-3044(2007)06-11690-01
1 引言
电源模块是单片机应用系统或数据采集系统中不可缺少的部分，但不同系统会有不同要求，本文就针对该模块的设计作些探讨。
2 相关知识
设计时通常提倡采用“器件解决”途径（即尽量寻找合适电源芯片来解决难题）的指导思想，故对电源器件的了解是很必要的。为讨论方便现先给直流电源器件做个分类：
2.1 按原理分类[1]
a)线性稳压电源
线性电源是调整管工作在放大区域的电源，它通过改变调整元件的控制信号强弱来调节其等效电阻大小，从而稳定输出电压。其特点是纹波系数小，但效率低，一般适用于小功率的电子电路。
b)开关稳压电源
开关电源是调整管工作在开关状态，通过改变开关管的导通时间，来得到稳定的电压输出。其特点是纹波系数大，电磁兼容性差、但效率高，过载能力强，一般适用于大功率或要求效率高的场合。
2.2 按用途分类
a)通用型：常用的有线性类型的稳压电源器件、开关类型的变换电源器件；
b)专用型：一些多功能的、专门用途的电源器件。
3 模块设计
实际中给系统供电的一般是已经过工频整流、滤波、一次稳压的直流电源，或直接采用各种电池，故此处就不讨论这部分。
3.1 方案确定
对一个需要多组电源电压的系统来说，通常有以下几个方案[2]:
1)采用一个具有多路输出的隔离型DC/DC模块;
该方案实际是一个区域的集中式供电，存在着集中式供电的一些弱点，另外也很难获得满足系统实际需求的商品化多路输出DC/DC模块，参见图1（a）。
2)采用多个不同的隔离型DC/DC模块获得多组电源;
该方案最为简单，只须根据系统要求购买合适的商品化模块，然后按照制造商的规定将其安装到系统中，不需要太多设计就可达到过压、过流保护、热管理等方面的系统要求。缺点是成本过高，原因是每个模块都有独立的隔离变压器、反馈环路及其它一些相关元件,参见图1（b）。
3)采用一个隔离型DC/DC获得系统主电源，然后由系统利用多个非隔离DC/DC变换模块获得各种电源。
该方案可以获得最低的成本。由一个DC/DC转换器提供隔离及系统主电源，其它电源采用廉价的拓扑变化获得。一般来说，除主电源之外的其它辅助电源功率相对较低，且多数不需要和主电源隔离，因此实际实现起来比较容易，成本廉价，使系统成本得以优化，参见图1（c）。
3.2 几个关键环节的处理
1）二次稳压处理
对数字器件或稳定性要求较高的器件，通常需采用二次稳压处理。与此相关的可选用电源器件为线性稳压源类型，常用的如三端稳压源CW78XX,CW79XX等，示例[3]见图2（a）。设计中基本都要用到二次稳压处理。
2）升降压和倒相变压处理
在系统中一般都需要设计多个电压等级，如典型的有+/-3.3V用于微耗芯片供电；+/-5V用于单片机IC供电；+/-12V或+/-15V则为数据采集AD芯片所用，这时就需要采用升降压办法来变换电压值大小，而用倒相方式改变电压极性。与此相关的可选用电源器件多为开关型电压变换器件，如MAX系列电源芯片等，示例[3]见图2（b）、（c）、（d）。在设计中是必定要用到升降压和倒相变压处理的。
3.3 几个方面的考虑
(1)电源功率及效率考虑
功率和效率二者是所设计电源的质量参数，它们关联到驱动能力，低耗设计，系统安全运行，散热等问题。二者的含义[1]为(在电源正常输出时)：
ⅰ）电源功率=输出电压 输出电流；
ⅱ）电源效率=电源输出的功率/进入电源的功率。
设计中要求具有一定的过载能力。
(2)抗干扰能力：要求具有良好的电磁兼容性，常采用的措施如电源滤波、屏蔽与隔离、接地等[4]；
(3)电源监测及过欠压检测功能:目的是防止电源出现故障、过压或欠压，尤其对电池供电型系统是很必要的；
(4)低耗、散热考虑。
以上功能一般可通过选用专用型电源器件得到实现，请参看相关资料[5]。
4 结语
单片机应用系统或数据采集系统拥有一个优质的电源模块是其能稳定、安全工作的重要保障。本文分析了在设计电源模块时应掌握的一些要点，首先应根据系统的要求确定设计方案，文中介绍了三种常用方案 ；其次是稳压和变压这些关键环节的处理；最后介绍了为获得高性能电源模块需作的一些考虑等等。希望能给需进行电源模块设计的初学者带来有益帮助。
参考文献：
[1]李哲英.电子技术及其应用基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社,2003：328-333.
[2]郭锥.基于单片机的膛壁温度报警系统设计[D].南京：南京理工大学(硕士论文)，2006.
[3]林慧.智能电气阀门定位器的研究开发[D].天津：天津大学(硕士论文)，2003.
[4]刘光斌，刘冬，姚志成.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京：人民邮电出版社，2003：108-138.
[5]关德新，冯文全.单片机外围器件实用手册（电源器件分册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998：1-572.
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。