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高效電池電源
高效電池電源
電池為需要移動或位于無法連接主電源或其他電源的地方的電氣設備提供了強大的電源。由于電池制造商的遠見卓識，世界各地都有標準尺寸和電壓的電池可供選擇，以適應任何應用和預算。電池供電的最大問題是用戶期望設備在需要充電或更換電池的情況下運行很長時間。這種需求使設計人員有責任提高效率并降低功率需求以滿足這一需求。
電壓要求
產生固定電源電壓的最簡單方法是串聯適當數量的電池，直到它們的總和產生所需的值。這種方法是標準一次性 1.5V 電池的首選方法，沒有尺寸限制。然后出現了標準 1.2V 的可充電電池，以及用戶對更小、更輕、更便攜設備的需求。解決方案是使用升壓轉換器從少量一次性或可充電電池中獲取能量并產生所需的電源輸出。
升壓轉換器
升壓轉換器是一種開關模式電源，可將輸入電壓升壓至所需的輸出電壓。它通過使用電容或電感形式的能量存儲來實現這一點，該能量存儲以足夠的頻率切換以產生所需的輸出。轉換過程效率將由 LC 電路中的損耗和開關電路的功率要求決定。對于設計人員來說，好消息是有大量現成的升壓轉換器可供選擇。它們也被稱為升壓開關穩壓器和升壓開關轉換器。
高效穩壓器
開關穩壓器比線性穩壓器實現更高的效率，因為前者使用能量存儲來執行 DC 到 DC 的轉換。相比之下，后者使用電阻損耗進行轉換，從而產生熱量。升壓開關穩壓器通常使用脈寬調制來控制其輸出，以將開關操作的占空比作為閉環功能進行調節。該電路中的主要損耗是由提供控制電路反饋元件的二極管引起的。使用MOSFET技術來實現二極管功能可以獲得效率的提高。額外的效率節省可以來自實施更復雜的開關控制以跳過在低負載期間不需要開關的周期。
隔離式電源的效率通常低于等效的非隔離式電源，因為它們需要更多的組件數量并且包括隔離變壓器造成的損耗。
低負載效率
設計人員工具包中用于延長電池壽命的另一個工具是設備的低負載效率。低負載是設備處于待機、睡眠或空閑、等待輸入或刺激運行的操作模式。這些狀態通常代表電池供電設備的大部分工作壽命，因此效率節省會顯著影響整體功耗。
理想情況下，電源應設計為在無負載時關閉。在電源具有輸出 LC 濾波器級的情況下，這種方法是必不可少的，這在開關模式設計中很常見。在空載狀態下，輸出電壓將上升到峰值電壓，這充其量是低效的，最壞的情況是會導致受影響組件的損壞或工作壽命縮短。穩壓器也可能受到不穩定反饋條件的影響，其中電路中的噪聲成為主要電壓。
低負載條件的設計選項包括從脈寬調制切換到脈沖頻率調制，其中效率隨著負載電流的降低而提高。
混合開關模式
開關穩壓器的一個缺點是開關功能產生的輸出上存在紋波。輸出濾波和仔細的 PCB 布局設計可以降低這種噪聲。盡管如此，如果電池供電設備包含需要無噪聲電源的敏感電路，則需要探索其他選項。線性穩壓器不會遇到此問題，但它們僅適用于電池輸出電壓略高于所需設備電路電源軌的情況。它們不能提高電壓，CD-CD 轉換中任何顯著的電壓差都是低效的。
混合開關穩壓器現在可用于將開關穩壓器的元件與線性穩壓器的元件相結合，以創建低噪聲電源。線性穩壓器有效地充當輸出濾波級。這種解決方案的缺點是增加了設備的復雜性，這會轉化為更高的成本和降低的效率。然而，對于需要少量電池且基于開關模式的穩壓器噪音太大的電池供電設備，這提供了一種實用的解決方案。
使用線性穩壓器來清理開關穩壓器輸出的局限性在于，其性能會隨著噪聲頻率的增加而降低，因此在決定開關頻率時會增加另一個權衡因素以及物理尺寸和效率因素。