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电源相关零碎知识总结

news 2025/9/2 8:00:22

一、反激控制器

核心概念：什么是“反激式”？

“反激”指的是一种开关电源的拓扑结构，称为反激式变换器。它的工作原理类似于“弹弓”或“投石索”：

储能阶段（开关管导通）：当一个主开关管（通常是MOSFET）导通时，电流流过变压器的初级绕组，电能以磁场的形式存储在变压器中。注意：此时次级侧的二极管是反向截止的，所以负载的能量由输出电容提供。 这就是“储”的过程。
释放阶段（开关管关断）：当开关管关断时，初级绕组的电流被切断。根据楞次定律，变压器磁芯中的磁场开始消失，这个变化的磁场会在次级绕组中感应出一个反向的电势，使次级二极管导通。之前储存的磁能就转化为电能，释放给负载和输出电容。这就是“放”的过程。

这个“一储一放”的循环过程，就是“反激”名称的由来。

关键特点：

隔离：反激式拓扑使用变压器，可以实现输入和输出的电气隔离，非常安全。
成本低：结构相对简单，元件数量较少，特别适合中低功率应用（通常<100W）。
多路输出：可以轻松通过增加多个次级绕组来实现多路不同电压的输出。

核心角色：什么是“控制器”？

“控制器”是一颗集成电路芯片，它是反激式电源的“大脑”和“指挥官”。它的核心任务就是精确地控制那个主开关管（MOSFET）的导通和关断，以确保电源系统稳定、高效地工作。

控制器通过不断监测电源的输出情况，并动态调整开关管的开关时机和频率，来实现以下功能：

稳压：这是最重要的功能。控制器通过反馈回路（通常是光耦或辅助绕组）监测输出电压。如果输出电压因负载或输入变化而升高或降低，控制器就会相应地调整开关管的占空比（即导通时间与整个周期的比例），从而调整能量传递的多少，最终将输出电压稳定在设定值。
保护：控制器集成了多种保护功能，确保电源和用电设备的安全：
- 过流保护：检测开关管电流，防止因短路或过载而烧毁。
- 过压保护：监测输入或输出电压，异常时关闭系统。
- 过热保护：芯片温度过高时自动停止工作。
- 欠压锁定：输入电压过低时不会启动，防止工作异常。
提高效率：现代控制器还采用各种高级控制技术来提升效率，例如：
- 准谐振模式：在变压器磁场完全释放后的谷底时刻开启开关管，减少开关损耗。
- 频率抖动：让开关频率轻微变化，将电磁干扰分散到一个更宽的频带上，降低峰值干扰，更容易通过EMC认证。

整体总结：电源反激式控制器

电源反激式控制器 就是一款专门为控制和驱动反激式拓扑开关电源而设计的集成电路芯片。

它接收反馈信号，发出PWM脉冲，智能地控制功率开关管的通断，从而构建出一个高效、稳定、安全且成本低廉的隔离式开关电源。

常见应用

几乎所有中小功率的电子设备充电器和适配器都使用反激式控制器：

手机、笔记本电脑充电器
电视机、机顶盒电源
智能家居设备电源
LED驱动电源
工业控制设备的辅助电源

二、以太网供电设备和以太网受电设备

核心比喻：插座 vs 电器

您可以把它想象成家庭电路：

供电设备 就像是墙上的电源插座。它是电力的来源和提供者。
受电设备 就像是您插入插座的电视机或充电器。它是电力的接收和使用者。

在PoE系统中，一根网线同时扮演了“电线”和“数据线”的双重角色。

一、供电设备 - 电力的“提供者”

供电设备 是PoE系统中的电源。它的职责是检测、分类并为合法的设备提供电力。

英文术语：PSE，全称为 Power Sourcing Equipment（供电端设备）。

主要功能：

检测：发送一个低电压信号，探测线缆另一端连接的是否是一个符合标准的“受电设备”。
分类：判断对方设备需要多大的功率。
供电：在确认安全后，开始提供稳定的48V直流电。
监控与断电：持续监控供电状态，当设备断开或出现故障时，自动停止供电。

常见的供电设备有哪些？

PoE交换机：这是最常见的形式。交换机的端口本身就具备供电能力。
PoE注入器：这是一个适配器模块。如果您的交换机是普通非PoE交换机，可以用它来“注入”电力。连接方式是：普通交换机 → PoE注入器 → （受电设备）。

一句话总结供电设备：它是PoE电力的源头，是插座的提供者。

二、受电设备 - 电力的“使用者”

受电设备 是PoE系统中的用电终端。它接收从网线传来的电力，并为其自身运转供电。

英文术语：PD，全称为 Powered Device（受电设备）。

主要功能：

受电：通过网线接收来自PSE的48V直流电。
转换：设备内部通常有一个电路（DC-DC转换器），将48V电压转换为设备所需的低电压（如5V， 12V等）。
运行：使用转换后的电力正常工作。

常见的受电设备有哪些？
几乎所有需要供电的网络终端设备都可以是PD：

IP摄像头（最常见）
无线接入点
IP电话
网络门禁对讲系统
LED照明系统
瘦客户机

一句话总结受电设备：它是PoE电力的终点，是插入插座的电器。

三、两者如何协同工作：一个简单的例子

假设我们要安装一个屋顶的无线AP。

没有PoE的情况：
- 你需要从交换机拉一根网线到屋顶用于传输数据。
- 你还需要从电源插座拉一根电源线到屋顶为AP供电。
- 需要布设两种线缆，麻烦且成本高。
有PoE的情况：
- 供电设备端：你使用了一台PoE交换机（PSE）。
- 受电设备端：你的无线AP本身支持PoE（它是一个PD）。
- 工作流程：你只需要从PoE交换机拉一根网线到屋顶的无线AP。这根网线既负责传输网络数据，又负责为无线AP提供它工作所需的全部电力。
- 只需布设一种线缆，简单、灵活、成本低。

总结对比表格

特性	供电设备	受电设备
英文与缩写	PSE	PD
角色	提供电力（源头）	使用电力（终端）
类比	电源插座	家用电器
主要功能	检测、分类、供电、监控	受电、电压转换、运行
常见设备	PoE交换机、PoE注入器	IP摄像头、无线AP、IP电话

三、电压监测器

核心定义

电压监测器 是一种电子电路或集成电路芯片，其核心功能是持续监测一个或多个电源电压的数值，并在电压超过或低于预设的阈值时，给出明确的信号指示或采取保护行动。

它就像一个尽职尽责的电压哨兵，时刻守护着电子系统的供电安全。

一、它是如何工作的？

电压监测器通常将一个监测的电源电压（如 VCC）与一个内部固定的、高精度的参考电压进行比较。

当 VCC 高于参考电压阈值时：监测器输出一个“正常”信号（通常是高电平）。
当 VCC 下降到低于参考电压阈值时：监测器会迅速改变其输出状态，发出一个“异常”或“复位”信号（通常是低电平）。

这个触发动作的电压值被称为阈值电压或触发电压。

二、主要功能与类型

根据其复杂度和功能，电压监测器主要分为以下几类：

1. 复位发生器

这是最常见、最简单的电压监测器，通常被称为 复位IC 或 看门狗定时器。

功能：专门用于监测微处理器（MCU）、微控制器（CPU）、DSP等数字系统的电源电压。
工作过程：
1. 系统上电时，电源电压VCC从0开始上升。在达到稳定的工作电压之前，MCU处于不稳定状态。复位IC会保持输出复位信号，阻止MCU工作。
2. 当VCC超过阈值电压后，复位IC会延迟一段时间（通常为100-300ms），确保电源完全稳定，然后才撤销复位信号，让MCU开始正常工作。
3. 在系统运行中，如果因意外（如短路或干扰）导致VCC跌落至阈值以下，复位IC会立刻重新发出复位信号，强制MCU重启，防止其出现“死机”、“跑飞”等不可预知的行为。
重要性：对于任何基于微处理器的系统来说，这都是一个至关重要的保护器件，能极大提高系统的稳定性和可靠性。

2. 电压检测器

这类监测器更通用，主要用于功能指示和预警，而不仅仅是系统复位。

功能：监测任何一个需要关注的电源电压（可以是主电源VCC，也可以是电池电压、辅助电源等）。
输出：通常提供一个简单的逻辑输出信号（高/低电平）。这个信号可以：
- 直接驱动一个LED灯，作为电源指示灯（如电池电量低警告灯）。
- 送给MCU的一个IO口，让MCU知道电压异常，从而软件上采取相应措施（如保存数据、进入睡眠模式）。
特点：有时会带有迟滞特性（Hysteresis）。例如，监测阈值是3.0V，但可能会在电压下降到2.9V时触发，而直到电压回升到3.1V时才解除触发。这可以有效防止电压在阈值附近波动时，输出信号反复跳变。

3. 多路电压监测器

用于更复杂的系统，如服务器、通信设备、FPGA板卡等，这些系统通常有多个核心电压（如 +5V, +3.3V, +1.8V, +1.2V）。

功能：同时监测多路不同的电源电压。
输出：只有当所有被监测的电压都正常时，它才会输出一个“总正常”信号。任何一路电压出现异常，它都会发出一个总的故障信号或复位信号。
优势：用一个芯片完成了多路监测，简化了设计，提高了可靠性。

三、关键参数

在选择电压监测器时，需要关注以下参数：

监测阈值：即触发电压值。有固定阈值和可调阈值两种。
监测精度：阈值电压的准确度，通常为±1%到±3%。
输出类型：推挽输出、开漏输出？高有效还是低有效复位？
复位延时时间：上电后保持复位信号的时间长度。
功耗：自身工作电流的大小，对电池供电设备尤为重要。
封装：SOT-23, SOT-143, DFN等小型封装非常常见。

四、应用场景

电压监测器无处不在：

嵌入式系统：任何带有单片机（如Arduino, STM32）的板卡上，几乎都能找到复位IC。
消费电子：手机、平板电脑中监测电池电量，防止系统因电压过低而宕机。
工业控制：在恶劣的电磁环境中，保证PLC、控制器在电源波动时稳定运行或安全重启。
汽车电子：监测汽车电池电压，确保ECU（发动机控制单元）等关键部件的正常工作。
电脑主板：监测CPU核心电压、内存电压等。

总结

电压监测器是一个看似简单却至关重要的保护器件。它就像是电子系统的电压安全卫士，其主要职责是：

保证系统上电有序。
运行时持续监护。
异常时果断干预。

四、PFM PCCM

它们都是针对DC-DC转换器（特别是Buck、Boost等拓扑）在不同负载条件下的控制策略，旨在优化电源的效率、尺寸和动态响应。

一、PFM - 脉冲频率调制

1. 核心概念

PFM 的全称是 Pulse Frequency Modulation。它的工作原理是：固定脉冲的导通时间（或关断时间），通过改变脉冲的频率（即周期）来调节输出电压。

轻负载时：需要传输的能量少，开关频率会自动降低，开关次数减少。
重负载时：需要传输的能量多，开关频率会自动升高，开关次数增加。

2. 工作特点

轻载效率高：这是PFM最大的优势。因为在轻负载时，开关频率下降，由开关动作引起的开关损耗（如MOSFET的栅极充放电损耗、开关交越损耗）大大降低，从而显著提升了轻载和待机时的效率。
输出电压纹波较大：由于频率不断变化，输出滤波电感/电容的滤波效果不是恒定的，导致负载变化时，输出电压的纹波和噪声也相对较大。
噪声可变：变化的开关频率会产生一个较宽频带的噪声，这可能会干扰系统中对噪声敏感的电路（如射频模块、模拟传感器），电磁干扰（EMI）滤波器的设计也更复杂。

3. 典型应用

主要用于对轻载效率和待机功耗要求极高的场景：

电池供电的便携式设备（手机、笔记本电脑、蓝牙耳机）
任何需要长时间待机的物联网设备

二、PCCM - 伪连续导通模式

1. 核心概念

要理解PCCM，首先要明白开关电源的两种基本工作模式：

CCM - 连续导通模式：电感电流在整个开关周期内始终大于零。适用于中、大负载，效率高，纹波小，但轻载时可能效率下降。
DCM - 断续导通模式：电感电流在每个周期结束时都会下降到零。适用于轻负载，但纹波和噪声较大。

PCCM 的全称是 Pseudo Continuous Conduction Mode。它是一种混合模式，旨在结合CCM和DCM的优点。其核心特点是：通过控制电路，让电感电流在即将下降到零时，强制开启一个新的开关周期，从而使电感电流维持在一个很小的、但大于零的水平。

2. 工作特点

改善轻载效率：通过防止电感电流过零，减少了下桥开关或续流二极管的反向恢复损耗，同时相比CCM降低了导通损耗，从而优化了轻载效率。
更平滑的模式切换：PCCM作为CCM和DCM之间的一个过渡模式，使得电源在负载变化时，工作模式的切换更加平滑，避免了因模式切换引起的输出电压抖动和噪声。
更优的动态响应：相比传统的DCM，PCCM模式下的控制器通常能提供更快的负载瞬态响应。

3. 典型应用

常用于对效率曲线平滑性和动态响应有较高要求的电源设计中，是现代高性能DC-DC控制器中常见的一种高级控制模式。

三、PFM 与 PCCM 的对比与关系

特性	PFM (脉冲频率调制)	PCCM (伪连续导通模式)
核心原理	变频（固定导通时间，改变频率）	变模式（在CCM和DCM之间创造一个混合模式）
主要目标	极致优化轻载效率	平滑模式过渡，优化轻载性能与动态响应
效率特点	轻载效率极高，重载时切换回PWM	轻载效率优于传统CCM，且比DCM更平滑
输出纹波	较大，且随负载变化	较小且更稳定
噪声/EMI	频率可变，噪声频谱宽，EMI设计复杂	噪声特性优于PFM，更易于滤波
关系	是一种控制策略	是一种工作模式

重要说明： 它们不属于同一维度的概念，但常常协同工作：

一个电源控制器可能采用 PFM控制策略 来管理轻负载运行。
当这个控制器在PFM模式下工作时，其功率级（电感、开关管）很可能就处于 DCM 或 PCCM 模式。

现代先进的DC-DC控制器（如TI的D-CAP3™，MPS的Advanced Eco-Mode™）非常智能，它们会根据负载情况自动切换多种模式：

重负载 -> PWM (CCM模式)：保证高效率和大功率输出。
中等负载 -> PFM (PCCM或DCM模式)：优化中等负载效率。
极轻负载 -> PFM (DCM模式) 或 突发模式：最大化延长电池寿命。

总结

PFM 是一种通过改变频率来调控输出的控制方法，是追求超高轻载效率的利器。
PCCM 是一种通过避免电感电流为零来优化轻载性能的电路工作状态，是提升电源综合性能的高级模式。

五、焊盘过孔几层PCB

一、核心概念解析

1. 焊盘

是什么：PCB上用于焊接电子元件引脚或端子的金属铜箔区域。
作用：提供机械连接（固定元件）和电气连接（导通电流）。
类型：
- 插装焊盘：中间有钻孔，用于焊接电阻、电容等有引脚的元件。
- 表贴焊盘：没有钻孔，元件直接贴在板子表面焊接，用于芯片、小封装的电阻电容等。

2. 过孔

是什么：PCB上用于连接不同层之间线路的金属化小孔。
作用：实现电路在垂直方向（不同层）上的电气连接，是多层PCB布线的基础。
类型：
- 通孔：从顶层到底层打穿整个板子的过孔。最常用，成本最低。
- 盲孔：连接表层和内部某层，但不打穿整个板子。
- 埋孔：连接内部两层之间，从板子表面完全看不到。
- （盲孔和埋孔工艺复杂，成本高，主要用于高端高密度板卡）

3. 几层PCB

是什么：指PCB由多少层铜箔和绝缘材料压合而成。
作用：更多的层数意味着更多的布线空间，可以设计更复杂的电路，同时有助于解决信号完整性和电磁干扰问题。
常见层数：
- 单面板：只有一层铜箔，布线不能交叉，非常简单，用于极简单的电路。
- 双面板：顶层和底层都有铜箔，通过过孔连接，是最常见、性价比最高的类型。
- 多层板：4层、6层、8层甚至更多。除了顶层和底层，还有内部信号层和专用的电源层、地层。

二、三者之间的关系

你可以把多层PCB想象成一栋多层停车场：

焊盘就像是停车位。车（电子元件）必须停放在停车位上。
过孔就像是连接不同楼层的斜坡道。它让电流这辆“车”可以从一层开到另一层。
层数就是停车场的总楼层数。楼层越多，能容纳的车辆（电路）就越多，交通组织（布线）也越灵活，但建造成本也越高。

没有过孔，多层PCB就失去了意义，因为不同层的线路无法沟通。焊盘则是所有元件安家落户的基础。

三、如何根据项目选择PCB层数？

这是一个非常实际的工程权衡问题，主要取决于电路复杂度和性能要求。

层数	典型应用	优点	缺点
单面板	玩具、简单电器、低功耗电路	成本最低	布线极其困难，无法用于复杂电路
双面板	Arduino、树莓派、大多数消费电子、智能家居产品	成本效益最佳，能满足绝大多数业余和商业项目	复杂电路布线可能有挑战，高速信号和抗干扰能力较弱
4层板	单片机核心板、工业控制、复杂接口	有专用的电源层和地层，供电更稳定，抗干扰能力强，EMI性能好	成本比双面板高
6层及以上	高速数字电路（CPU、FPGA）、高速内存（DDR）、射频电路、高端显卡、手机主板	优异的信号完整性，能处理高速信号，强大的抗干扰能力，布线非常灵活	成本显著增加，设计难度大

简易选择指南：

初学者/简单项目：无脑选择 双面板。性价比最高，打样价格便宜。
中级项目/含单片机或高频芯片：
- 如果电路不太复杂，双面板通常够用。
- 如果电路较复杂，或者对稳定性、噪声有要求，强烈推荐使用4层板。多花一点钱，可以换来更稳定的电源、更干净的信号和更容易的布线体验，大大降低调试难度。
高级项目/高速数字/射频：必须使用4层或以上。通常需要6层或更多，并且需要遵循严格的高速PCB设计规则。

总结一下：

焊盘是元件的家。
过孔是连接各层的楼梯。
层数决定了家的规模和复杂程度。

六、MUX

一、核心定义

MUX 是 Multiplexer 的缩写，中文称为 多路复用器 或 数据选择器。

它是一种组合逻辑电路，其核心功能是：从多个输入信号中选择一个，并将其传输到唯一的输出端。

你可以把它想象成一个 多选一的单刀多掷开关：

多个输入：就像多个信号源（例如，不同的音频设备：手机、电脑、游戏机）。
一个输出：就像一个公共的输出端（例如，你的耳机或音箱）。
选择信号：就像你的手，控制开关切换到哪个输入源。

三、主要应用场景

MUX 是数字系统中最基础的模块之一，用途极其广泛。

数据路由与选择
- 最直接的应用。例如，在CPU中，从多个寄存器中选择一个的数据送到运算单元（ALU）；在通信系统中，将多路数据源切换到一条传输线上。
并行转串行
- 将一个n位的并行数据字，通过n次选择，依次一位一位地输出，转换为串行数据流。选择信号由一个计数器控制，循环从0到n-1变化。
实现组合逻辑函数
- 这是一个非常巧妙和重要的应用！ MUX可以被当作一个“查找表”。将逻辑函数的输入变量连接到MUX的选择端，将函数的真值表结果固定在MUX的数据输入端。这样，通过选择端输入不同的变量组合，输出端就会直接给出对应的函数值。
- 优点：可以简化逻辑设计，用通用芯片实现特定功能。
时间复用
- 在一条高速信道上分时传输多路低速信号。这是通信领域的基础，例如，早期的电话干线系统就是采用时分复用（TDM）技术，这本质上是MUX的概念。

四、相关的核心概念：DEMUX

有MUX，就必然有它的逆过程—— DEMUX。

DEMUX：Demultiplexer，中文称为 多路解复用器 或 数据分配器。
功能：与MUX相反。它只有 1个输入，但有 多个输出。它根据选择信号的决定，将输入信号分配到指定的输出通道上。
关系：MUX和DEMUX通常成对使用。在通信系统中，发送端用MUX将多路信号合并，通过一条线路传输；接收端用DEMUX将合并的信号分离，恢复出原始的多路信号。

总结

MUX（多路复用器） 是一个基础且强大的数字电路组件，其核心价值在于：

功能：实现 多选一 的数据选择。
关键：由 选择信号 控制通道切换。
应用：无处不在，从数据路由、格式转换（并串转换）到实现复杂逻辑函数，是现代数字系统的“交通警察”。

一、核心作用：信号路由与选择

这是MUX最直接、最根本的作用。它在多个输入信号中动态地选择一个，并将其连接到输出端。

具体场景示例：

多传感器选择：
- 情况：一个微控制器（MCU）只有1个ADC（模数转换器）引脚，但需要轮询读取4个不同的模拟传感器（温度、光照、压力、湿度）。
- MUX的作用：使用一颗模拟MUX芯片（如CD4051）。将4个传感器分别接到MUX的4个输入，MUX的输出接到MCU唯一的ADC引脚。MCU通过2个GPIO口控制MUX的选择线，就可以分时读取4个传感器的值。
- 价值：极大节省了MCU宝贵的ADC引脚资源。
信号源切换：
- 情况：一个音频功放需要连接手机、电脑和游戏机等多个音源。
- MUX的作用：使用MUX作为输入选择器。用户通过按钮（生成选择信号）控制MUX，将想要的音源切换到功放的输入端。
- 价值：避免了频繁插拔线缆，实现了电路的自动化控制。

二、扩展作用：系统功能配置

MUX可以用来改变电路的连接方式，从而实现不同的功能模式。

具体场景示例：

可编程增益放大器：
- 情况：一个测量电路需要根据信号大小切换不同的放大倍数。
- MUX的作用：将多个不同阻值的反馈电阻（每个电阻对应一个增益）连接到MUX的输入上。MUX的输出连接到运放的反馈端。MCU通过控制MUX来选择接入哪个电阻，从而动态地改变放大器的增益。
- 价值：使放大器变得“智能”，能自动适应不同量程的信号。
通信接口切换：
- 情况：一个CPU的串口（UART）需要根据需要，与蓝牙模块、GPS模块或Wi-Fi模块中的某一个通信。
- MUX的作用：将蓝牙、GPS、Wi-Fi的TX线接到MUX的输入，MUX的输出接到CPU的RX线。CPU通过控制MUX来决定监听哪个模块的数据。
- 价值：实现了单一通信接口的资源复用。

三、高级作用：实现逻辑函数与并行转串行

实现组合逻辑函数：
- 情况：需要实现一个特定的、非标准的逻辑功能，但不想用一堆基础逻辑门（如与门、或门）来搭建。
- MUX的作用：将逻辑函数的输入变量连接到MUX的选择端。将根据函数真值表计算出的结果（0或1），固定地接到MUX的数据输入端。这样，MUX就变成了一个“查找表”，选择端输入任何组合，输出端都会给出正确的函数结果。
- 价值：提供了一种灵活实现复杂逻辑的替代方案，尤其在可编程器件（如FPGA）中非常常见。
并行转串行转换：
- 情况：需要将8位并行数据通过一条线串行发送出去。
- MUX的作用：用一个8选1 MUX，将8位数据接到8个输入口。用一个3位计数器从0到7循环计数，并作为MUX的选择信号。这样，MUX就会依次从D0到D7输出数据，从而将并行数据转换为串行数据流。
- 价值：是数据格式转换的基础模块。