适当的电源电路设计对于电子设备的正常稳定工作具有重要意义。可以毫不夸张地说，电源设计的好坏对产品的性能和可靠性有着重大影响。在本文中，我们将基于电源设计的基础知识，解释电源设计的流程、应确定的规格以及电源设计的细节。
什么是电源电路设计？
电源电路设计是指为电子设备正常工作而设计电源电路的过程。电源电路是根据需要转换输入电压以产生适当的输出功率的电路。通过根据规格提供电压和电流，设备内的电子电路和半导体元件可以正确运行。在这里，我们将介绍作为基本设计知识的电源电路的类型和电源IC的类型。
电源电路的类型
电源电路根据输出方式是交流还是直流分为两种。交流输出电源电路是“逆变器”，直流输出电源电路是“转换器”。以下是逆变器和转换器的概述。
逆变器
逆变器电路是将直流电（DC）转换为交流电（AC）的电源电路。广泛应用于家用电源和工业设备。它们的应用广泛，从计算机和智能手机等常见电子设备，到混合动力和电动汽车的电机控制，再到太阳能发电和电力存储系统。
逆变装置内置逆变电路，负责AC>DC>AC的转换过程。首先，转换器电路将交流电转换为直流电并调节电压和频率。接下来，逆变电路将该直流电转换回交流电并将其提供给设备。在转换器电路和逆变器电路之间放置电容器以平滑电流。
日本电力公司提供的交流电具有固定的电压和频率，很难直接改变。然而，设计为在低电压下运行的设备不能简单地使用交流电源。为了使每个设备获得最佳输出，改变电压和频率的逆变器是必不可少的。通过适当调整电压和频率，您还可以节省能源。
转换器
转换器电路是将输入的直流电或交流电输出为适合设备的直流电的电源电路。它可以实现升压（从低电压到高电压的转换）和降压（从高电压到低电压的转换）等电压电平可调，广泛应用于需要特定电压的电子设备中。
“DC/DC转换器”将特定的直流电压转换为另一种直流电压，是典型的转换器之一。用于低电压运行的电子设备和家用电器，例如微控制器和存储设备。此外，AC适配器内置有AC/DC转换器，可将交流电转换为直流电，用于为笔记本电脑、智能手机等充电。
转换器的基本工作原理是使用仅允许电流沿一个方向流动的二极管对交流电进行整流，并通过电容器反复充电和放电将其转换为平滑波或直流电。该机制利用了交流电的正弦波特性（波的方向和高度周期性变化）。 AC/DC转换器结合了整流器和DC/DC转换器。这使得可以有效地控制电流的方向性并将其调整到适当的电压水平。
电源IC的种类
电源电路采用电源 IC 来稳定电压、控制电流、转换电源并有效管理电源。在此，作为电源IC的种类，对“线性稳压器”和“开关稳压器”进行说明。
线性调节器
线性稳压器是一种结构简单、输出稳定的电源IC。使用串联在输入和输出之间的控制元件（晶体管或MOSFET），输入电压在负载之间分压，多余的电压由电阻器消耗以获得稳定的输出电压。
线性稳压器输出纹波低，电磁噪声小，因此适用于敏感电子设备的电源电路，例如处理微弱信号的放大器级。它的制造成本不像开关稳压器那么高。另一方面，其缺点是输入/输出电压差较大，会增加能量损耗，降低效率，并产生更多热量。输出格式仅为降压。
开关调节器
开关稳压器是一种电源电路，它产生脉冲波，并通过使用开关元件接通和断开输入电压来获得输出电压。通过改变该开/关比（占空比）来控制输出电压。
开关稳压器具有80%~90%的高能效，并且具有产生热量少的优点。如果使用最新的控制器IC，在某些情况下可以实现约98%的转换效率。另一方面，其缺点是外部零件较多，设计复杂，而且原理上容易产生噪声。开关稳压器在将输入电压转换为脉冲波形时会产生电磁噪声（EMI 噪声）和接地噪声。
开关稳压器输出格式主要有以下三种类型：
降压型：获得低于输入电压的输出电压的最常见类型。
升压型：将能量储存在电感器中以获得高于输入电压的输出电压的类型。
降压-升压型：支持降压和升压操作。当输入电压波动较大时使用。
电源设计流程
电源设计涉及多个关键设计流程以满足产品要求。我们将提供每个流程的概述，从规格确定、电路设计、机构设计、电路板设计、原型设计和性能评估，到最终产品的交付。规格决定
在电源设计的早期阶段，根据客户的需求确定电气特性、尺寸和功能等详细规格。在此过程中，重要的是要考虑规格可能发生变化的可能性，并调整产品以最终满足市场需求。
电路设计
在电路设计中，我们选择适合规格和应用的电路和元件。此时，您还可以考虑设计额外的功能，例如保护电路或调光电路。它是保证产品性能和可靠性的重要过程。
机械设计
在机械设计中，我们设计产品的尺寸、形状和外壳以满足IP标准。通过优化自然对流并使用热模拟设计风扇流量，可以缩小设备尺寸并使其无风扇。
电路板设计
为了降低噪声并提高输出效率，电路设计人员和电路板设计人员共同努力优化图案布局和布线。良好的电路板设计直接影响电源设计的质量和性能。
原型/性能评估
原型完成后，我们会进行广泛的性能评估，包括电气特性、温度和序列。我们检查产品是否符合规格，并根据需要进行调整和改进。
完成/交付
我们不仅提供完整的电源，还提供设计材料、评估数据、CAD 数据和源程序。与电源设计结合创建的材料和数据对于电源运行和维护非常有用。
设计电源时应确定的规格
设计电源时，必须提前确定以下规格。这些规范对产品性能和安全性有重大影响，因此仔细考虑它们非常重要。
输入电压范围
输入电压范围是指电源稳定运行所能接受的电压范围。日本家用交流电源为100V，但如果产品要出口海外，则需要考虑使用的地区和用途。在世界范围内，住宅使用的标称电源电压通常在 100 至 240 VAC 范围内，但通常设计时留有 85 至 264 VAC 的裕度。
输出电压/输出电流
输出电压和输出电流表示电源提供的电压和电流值。这些必须根据所连接设备的要求进行适当设置，并对电源的性能和效率产生重大影响。考虑散热器和散热环境等冷却条件，确定最大负载电流（允许连续输出的最大电流的有效值）也很重要。
输出纹波电压
输出纹波电压是由开关操作引起的纹波电流。与电源直流电压中包含的交流分量的大小相结合，大纹波电压会对设备性能产生负面影响。尽管希望尽可能地抑制纹波电压的产生，但是有必要考虑到成本和技术方面来设置允许值。
绝缘电压
隔离电压是指承受电源输入与输出之间、或电源与接地故障之间可能出现的最大电压的能力。在安全很重要的工业和医疗领域，可以指定绝缘水平。为了保护设备免受电噪声的影响，有必要确定绝缘电压规格。
工作温度范围
工作温度范围是指电源能够正常工作的温度范围。在此范围之外使用会增加性能下降和故障的风险，因此需要适当的冷却设计。另外，如果设备内置有电源电路，则需要确定内部温度。
效率
电源的效率是输出功率与供应功率的比率。例如，如果能源效率为 85%，则剩余 15% 的大部分会以热量的形式损失掉。因此，效率越高，产生的热量越少，有助于提高设备的耐用性和可靠性。此外，它还有助于节能，从而可以提高产品的竞争力。
空载输入功率
空载输入功率是指空载时消耗的功率。该值越小，浪费的能源消耗越少，对省电是有效的。节省电源能源不仅可以降低运行成本，还可以满足全球脱碳社会的需求。
电源设计细节
为了实现产品的性能、可靠性和长寿命，需要有周密的电源设计。在这里，我们将详细解释设计细节，包括电路设计、电路板设计、原型评估和 EOL 措施。
电路设计
电路设计是电源的核心，是其性能和效率的决定因素。
主要部件的选择和放置
电路中的主要元件是变压器、调节器和滤波器。这些选择直接影响电源性能。根据所需规格和用途选择产品时，重要的是要考虑效率、尺寸和成本的平衡。这些组件的正确放置可以提高电源电路的整体功能。
调节和降噪
稳定技术（线性或开关）的选择取决于预期应用。目前多选用开关稳压器，但必须选择具有合适输出的类型。如有必要，还应考虑滤波和屏蔽以降低噪声。抑制噪声可以保持信号稳定性和质量。
电路板设计
电路板设计决定了电源的物理结构和电气性能。
布局优化
组件的物理布局和热管理、最大限度地减少电磁干扰 (EMI) 是电路板设计中的重要因素。高效的布局可最大限度地提高性能并减少热量和 EMI 问题。
基板材料及制造技术
电路板材料（FR-4、CEM-3等）的选择和多层板的使用会影响性能和制造成本。选择正确的基板材料对于满足热性能和电气性能要求也很重要。
原型评估
通过样机评估，确认电源设计是否存在缺陷，并探讨调整和改进的地方。
样机运行测试
我们操作原型并测量其输出特性和能源效率，以测试其是否符合所需的规格和标准。具体来说，我们进行抗扰度测试、噪声测试、环境测试、温升测试等。仔细而准确的原型测试对于确保最终产品的性能和安全至关重要。
根据反馈改进您的设计
分析测试结果并根据反馈迭代重新设计和优化非常重要。适当的改进可以提高性能和可靠性，从而增加产品价值。
EOL 措施（寿命终止措施）
报废 (EOL) 措施对于确保用户的长期信任和满意度非常重要。
耐久性和可靠性评估
通过部件寿命预测和环境压力测试来评估耐用性和可靠性。能够更准确地预测生命周期将有助于用户计划维护和更换。
售后服务及换货计划
维护计划的制定和报废零件（EOL 零件）的管理对于产品持续长期高效运行是必要的。通过售后服务提高产品的可维护性和可维护性也有助于为用户带来便利。另外，最好选择符合要求规格的替代零件，并制定更换计划。
三新电气积累了40年以上的电源设计开发的经验，如果您有电源设计方面的需求可以联系我们。