各种电源的特性和用途-原理图|技术方案
电路板或格式电子系统中有各式各样的电源电路，隔离型、非隔离型，AC-DC、DC-DC，升压、降压等。他们都是为负载供电，负载多种多样，对应电源也多种多样。
1.1 电源系统概述
这里讲述的电源是指一种电能转换装置。我们常见电源家族如图1.1所示，不同颜色连接线代表不同形式的电能，它们之间存在电能之间的转换，而实现这种电能转换的装置就是电源。
图1 常见小功率电源家族一览图
从图1.1中可以看出，电池和市电一般不能直接给电子系统供电，使用时需要先将电能转换到Power 1线路中，以提供给其它模块使用。其中电池可以通过升压或者降压的DC-DC电源来实现电能转换，市电则可通过AC-DC电源进行电能转换。在对电源要求不高的场合，如充电器、LED驱动和电机驱动等应用中，Power 1可以直接提供电能。
在过去，AC-DC电源经常使用一个工频变压器降压，然后通过整流滤波电路的线性电源获得Power 1，这样的电源体积大，而且效率不高，随着开关电源技术的发展和推广，这种线性电源逐渐被开关电源代替，并得到广泛应用。许多公司陆续推出高性能的AC-DC电源芯片，如安森美（ON）推出的NCP1075，不仅效率高、静态功耗小，而且外围器件非常少、电路简单，如图2所示，即便是菜鸟，也能很快上手，大大减少了电源开发难度和缩短了开发周期，非常有利于开关电源的推广。
图2 NCP1075应用电路图
高效率准谐振（QR）和高功率因数单级PFC反激电源也得到了快速发展，可能很快成为AC-DC电源主流，代表IC如安森美（ON）推出的NCP1380和NCP1247。
在运算放大器、传感器、MCU和基准源等应用中，它们对电源的纹波噪声和电压精度要求比较高，那么Power 1还需要经过线性电源转换到Power 4线路中，才能给其系统供电。传统的线性电源一般采用NPN机构作为功率管，或者用达林顿结构功率管，如图3所示，LM7805和LM317等，都是这种结构。这类电源的特点是要求输入电压比输出电压高1.5V以上，如果输入输出压差比较小，这种稳压方式就不能满足要求了。
图3 使用NPN作为功率管
为了解决低压差问题，以PNP作为功率管的新品种——LDO应运而生。因为使用PNP作为功率管，如图4所示，所以输入输出的压差可以很低，如美国的MPS公司的MP20049，输入输出压差可以小到50mV，非常适用于低压差的场合。
图4 使用PNP做功率管
线性电源已经得到广泛应用。然而，随着电子技术的发展，电子产品对电源功率要求越来越大，那么线性电源就有些力不从心了。原因在于线性电源效率一般在60%以下，比较低，如果耗散功率大，还需要加散热片，致使它远远不能满足电子产品高集成化和高能效要求。就在这个时候，高性能的DC-DC开关电源便逐渐受到广大工程师的青睐。
早期的DC-DC开关电源因其存在固有的开关噪声给许多工程师留下了不好的影响，正因如此，在选择电源的时候，很多人会首先考虑线性电源。然而，现代电子技术发展突飞猛进，DC-DC开关电源在性能上也取得了惊人的发展。尤其是美国的MPS公司，通过改进生产工艺和技术创新，推出各种应用场合的高品质电源IC，已经广泛用到智能手机、笔记本电脑、汽车和工业控制等行业。MPS最近推出的MP2161GJ电源方案，如图5所示，不仅电路简单，而且性能优越，纹波噪声可以小到20mV以下，频率可以到1.5MHz，输出电流到达2A，体积非常小，可以完美取代线性电源，成为高集成电源的理想方案。这正是将Power 1电能转换成Power 3电能的装置——高性能DC-DC开关电源。
图5 MP2161GJ应用电路
除了上述电源以外，在一些分布式供电系统和工控电源系统应用中，如图1.1右侧部分，它们需要消除共模干扰、浪涌冲击和实现安全隔离，电源隔离是必要的，所以就形成了Power 1电能换成Power 2电能的DC-DC隔离电源产业。然而隔离电源的设计难度大，制作工艺要求高，很难通过自行设计并做出理想的产品，因此，隔离电源模块化成为必然发展方向。一些公司如广州致远电子股份有限公司将隔离电源设计成模块,如图6所示，它们只有输入和输出端子，不需要加任何外围器件就可以直接使用，有效提高了嵌入式系统的开发效率。
图6 隔离电源模块
电源产品日新月异，只有充分了解各种电源，才能在电源应用中选择最合适的方案。
近日，由北京西开往深圳北站的G79次高铁发生停电故障，上千人被困在40+℃的车厢内，持续近2小时，不少孩子和老人出现了不适和脱水现象。高铁安全稳定运行与其电网电能质量密不可分，如何保障高铁电网电能质量成为了当下讨论的热点。
到2020年，中国将新建高速铁路1．6万公里以上，形成以“四纵四横”高铁为主骨架的快速铁路网，现在高铁运行时速达到300km/h，提速至350km/h的呼声也在不断增强。
高铁的安全稳定运行与高铁电网的电能质量密不可分，电能质量问题可以导致电网电力故障和列车电力设备故障。探讨高铁电网电能质量问题对高铁列车的影响，我们就必须要了解高铁的供电原理和驱动原理。
图1 2020年地图规划图
高铁牵引供电系统
图2 高铁结构示意图
高铁能够跑起来，依靠的是牵引供电系统给高速列车提供电力。电气化铁路的牵引供电方式主要有：BT(吸流变压器)供电方式、AT（自耦变压器）供电方式和TR直接供电方式。由于高速铁路功率大，牵引电流较大，因此一般采用功率输送能力最强的AT供电方式，典型的
AT供电系统如图3所示。
图3 典型的AT供电系统
引供电系统主要由牵引变电站（变电所）、自耦变压器AT、接触网T、回馈线F、铁轨R及高速列车组成。基本原理为：牵引变电站为整个牵引系统提供电源，电流从牵引变电站流出，通过接触网给高速列出提供电能，然后通过回馈线流回牵引变电站，AT供电方式的工作原理如图4所示。
图4 AT工作原理图
高速铁路供电是按照“供电段”来进行划分的，平均数十千米/座。每个变电站伸出两个供电支，提供不同相的电流。列车经过两个变电站的“供电段”时，先后通过A1-B1-A2-B2四个供电支。为保证供电安全，每个供电支之间采用电气绝缘（隔离）的结构设计，因此各供电支之间不会短路。列出从一个供电支运行到另一个供电支是瞬时完成的。供电段示意图如图5所示。
图5 供电段示意图
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