潜在的权力选择

为嵌入式系统选择电源选项有点像从中文菜单中点单:“a栏一个，B栏一个，c栏一个”，而不是标记为“开胃菜”、“汤”和“主菜”，这些栏被标记为“主要”、“充电”和“备用”。

对于主电源，选择将在绝大多数时间为嵌入式系统供电的电源。对于大多数嵌入式应用来说，这是很好的公用事业电源-最可能是120v ac。第二种选择可能是某种形式的可充电干电池，如锂离子电池(Li-ion)。越来越多的网络连接应用程序能够直接从网络(如USB)获得主电源。依靠普通的老式不可充电干电池的嵌入式系统的数量正在迅速减少。

充值列显示了用来保持主电池无限期运行的东西。许多高可靠性系统，如医疗病人监控系统，都内置了不间断电源。车辆的系统电源总是由一次电池组成，每次发动机工作时由交流发电机充电。

当其他一切都失败时，备份源就在那里。通常情况下，备份的设计目的是为最小的必要功能提供电力，例如在更换主电池期间维持移动设备中的易失性存储器。例如，大多数个人计算机都有一个不可充电的锂电池(与可充电的锂离子电池相反)，以便在计算机与主电源断开连接时维持BIOS固件。

哪个电源适合哪个类别完全取决于应用特性。例如，部署在偏远或难以到达位置的无线传感器是少数几个不断增长的应用之一，其中长寿命但不可充电的锂电池是首选。高温环境对锂离子电池来说是个问题，因为高温会大大缩短它们的使用寿命。

典型的嵌入式系统线性供电方案使用市售变压器/整流器输入，将电力从公用事业电源耦合到嵌入式系统。接地，+/- 15v双端电源。

电池供电

电池供电是最佳选择的应用分为三类:低功耗要求、高功耗要求和备份。部署在远程位置的无线传感器需要低功耗。混合动力汽车需要大量的电力，但由于其他原因，主要的电力来源确实需要电池。医疗监控设备就是一个例子，即使主要电源是公用事业电源，应用程序的高可靠性要求也需要车载电池备份。

当可用功率较低时，嵌入式系统设计人员必须结合系统特性，使系统的功率需求最小化，并使功率使用效率最大化。

选择正确的器件和电路形式是减少功耗的第一步。例如，微处理器时钟速度对设备的功耗有很大的影响，同一处理器的功耗需求随着时钟速率呈非线性上升。类似地，“更宽”的处理器(如32位与16位)比“更窄”的处理器需要更多的功率。同样，一些电路形式天生就比其他形式更有效。例如，开关电源比线性电源效率高得多。当然，直接使用电池电压比两者都更有效。因此，最小化功率要求的最佳选择是使用最低的时钟速度，最窄的微处理器和最有效的电路形式，与操作需求一致。

在优化电路以获得最小的工作功率需求之后，下一个最有效的——也许是最有效的——降低功耗的总体策略是提供睡眠模式和看门狗定时器。在睡眠模式下，所有非必要的功能都被关闭一段时间，电源只流向一个单独的低功耗定时电路。计时器的目的是在突发活动时自动唤醒系统。

相对较少的大功率应用使用电池作为一次电源。并不是说电池不能提供大电流——它们可以——问题是它们通常不能长时间这样做。通常，在这些应用中，工程师只有在其他考虑使其成为最佳选择时才会选择一次电池电源。

例如，我经常为短期实验应用构建小型设备。几年前，我基于双μa741运算放大器构建了一个极低频(ELF)振荡器，用于数字存储示波器的道路测试。这东西的计划使用寿命只有几个小时，而我碰巧没有合适的台式电源给它供电。

开关电源或“开关器”以比线性电源高得多的效率提供稳压直流电。

我所拥有的是一对9 V晶体管电池和支架。因此，我将一个支架的正极引线焊接到另一个支架的负极引线上，并将它们都焊接到电路接地上。然后，我将自由正极引线焊接到运放的正电源端，并将自由负极引线焊接到负极端。由此产生的

当需要大量“果汁”时，一次电池更常见的应用是车辆推进。混合动力和全电动汽车通常使用电池驱动的电动机来推进，并使用其他一些电源来充电。

这些系统的一个相对较新的问题是超级电容器的可用性。电池以化学键的形式储存能量。它们通过化学反应释放能量。限制它们最大电流的主要因素是化学反应的速度。另一方面，超级电容器实际上是以电场的形式储存能量。它们的峰值电流仅受电容板和内部接线的欧姆加热的限制。它们还可以承受更多的充电/充电周期。

使用电池作为备份的嵌入式系统包含一个内部不间断电源(UPS)。我已经提到了医疗病人监控设备，它经常使用这种技术来确保在公用事业断电的情况下服务。这也使得在病人需要移动时保持持续监测成为可能:技术人员只需拔掉插头，并随着病人移动监护仪，而无需关闭它。该设备主要依靠电池供电，而电源则在可用时提供涓流充电。

多功能电源

脉宽调制器在每个开关模式电源的心脏使用数字开关技术，以最小的耗散损耗控制功率输出。

大多数家用电器的电源来自120v交流电。随着这些设备的嵌入式控制系统的使用不断增长，直接从公用事业电源运行的系统数量也在增长。

与它们所取代的基于定时器和继电器的控制系统不同，基于微处理器的自动控制系统不运行在60hz交流电源上。它们在相对较低的电压(通常是5伏直流)下使用精心调节的直流电源。

将公用事业级交流电源转换为电子级直流电源的电源电路有两种基本分类:线性和开关。

线性电源从变压器开始，将电力线电压降低到大约电源的输出电压。接下来，桥式整流器将低压交流电转换为脉动直流电。滤波部分——通常只是一个大的电解电容器，后面跟着一个相对低值的电阻器——平滑了脉冲。

在这一点上，我们有直流电源的电压，无论它是基于公用电压，变压器匝比，负载电流和电阻-与60赫兹纹波叠加，其幅度取决于滤波器的RC常数和负载电流。换句话说，输出电流和电压是它们当时恰好是什么，而不是需要什么!

为了提高直流质量，电源设计人员增加了一个线性稳压器。线性稳压器是一个由滤波器输出供电的线性功率放大器，它将一个小的参考电压放大到所需值。反馈元件使改变最终输出电压成为可能，或者使电路调节电流而不是电压。

线性电源是相当低效的，通常耗散与他们提供的一样多的功率。这总是一种浪费，有时是一种非常昂贵的浪费，这种功率损失可以通过使用开关电源来减轻。

开关电源与线性电源具有相同的变压器、整流器和滤波部分。改进来自于用开关稳压器取代线性稳压器。而不是使用线性放大器，其中晶体管从来没有关闭或所有打开，在PWM晶体管交替驱动到饱和(有效的短路)，然后切断(有效的无限电阻)。在任何一种情况下，功耗都很小。

PWM输出一串可变占空比的脉冲。反馈系统修改占空比以精确地提供负载所需的输出值。再生滤波器(本质上是一个大型电感器)平均电流以平滑脉冲。

开关电源的设计和制造都很复杂。幸运的是，有供应商以非常低的成本大量生产这些东西，因此很少需要为您的特殊应用程序设计一个。嵌入式系统设计师现在把它们看作是黑盒，把“脏”的电力输入，把“干净”的直流电输出。只要去目录，根据你需要的输出电压和电流挑选出你想要的块，然后订购。困难的部分是在系统布局上留出空间来安装它。

系统电源

通常，可用于运行嵌入式系统的电源不是来自公用事业电源或电池。例如，汽车中的系统电源来自发动机驱动的交流发电机/电压调节器系统，并在通常相当大的电流水平下提供12 V直流。火车、船只、汽车、宇宙飞船、风力涡轮机和太阳能发电厂都有与公用事业电源无关的电源。在大多数情况下，这些电源在一些标准电压下提供具有高度可变功率质量的直流电源。

为了在这些情况下运行嵌入式电子系统，设计人员通常需要改变电压并调节输出。唯一的选择是dc- dc转换器。

dc- dc转换器利用可用的直流电源驱动方波振荡器产生交流电源。变压器根据需要将交流电压升高或降低。然后全波桥式整流器恢复直流。由于方波占空比为100%，整流器的输出是相对纯的直流电，只有高频缺陷需要过滤掉。如果需要进一步的监管，开关调节器将非常有效地完成这项工作，谢谢。

其他系统使电子级电力理所当然地可用。例如，连接到USB端口的产品，USB连接器提供5v直流电源。同样，IEEE 802.3-2005以太网标准(IEEE 802.3af，通常称为“以太网供电”)的第33条建议，通过标准CAT-3或CAT-5e以太网电缆的四导体对中的两对提供48v dc，为终端设备供电。该标准建议电流限制为400ma。

混合和匹配这些可用的电源用于主要，充电和备用任务，为嵌入式系统设计人员提供了广泛的选择来为他们的创作供电。选择最佳方案是将特定应用程序中可用的方案与应用程序所需的方案进行比较。

作者信息

C.G. Masi是控制工程．打电话给他。charlie.masi@reedbusiness.com

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