【导读】本文整理自Richtek公司在 “2014创客集市嘉年华暨开发者论坛”中发表的演讲。演讲从电源管理系统设计的要素，以及设计的思考流程出发，并通过设计案例的分析，向大家展示了一种系统化的电源管理设计思路。以下是演讲的详细内容。
大家好！我这个演讲的题目是“电子工程师的电源管理思路”，我想我来到这里，因为考虑到这里有很多的创客玩家，所以我没有打算要介绍我们自己的产品，而是从一个系统设计者的角度来看看这个电源管理到底应该如何做？我这里所提出来的一些想法不一定完全正确，它都是一些局部的思考，我想到哪里说到哪里，大家如果有什么问题可以提出来讨论，我觉得这可能是一种比较有效的交流的方法。
电源管理设计的要素
我们在做一个系统的时候，首先要考虑的就是怎么样供电的问题。那在做这个供电问题的时候，我们首先最重要一点就是要了解需求到底是什么？因为不同的应用，它的需求可能是完全不一样的，同样是一个MCU，它出现在不同的系统里面，它周边的需要也是不一样的，你的接口不同，那你的电源系统也会不同。所以你就需要对整个系统的各个部门都要有了解，打个比方说，哪一个接口要用什么样的电源电压去给它供电，它所消耗的电流是多大？这都会根据你应用的不同而不同。所以你把这个部分搞清楚，这是非常非常重要的。CPU本身来讲也是不一样的，你要把这些搞清楚，搞清楚以后首先把电压定下来，然后看看它的电流是多大，然后它对电压纹波的需要是多大？因为这个纹波它会涉及到什么问题？如果你电压太低了，那这个时候我的电源就是不需要的，所以把这些搞清楚非常重要，因为不同的电源管理方案它可能带来的影响是不一样的。
时序关系是一个通常来讲不容易被考虑到的问题，但是对复杂程序来讲这个时序很重要，像一个比较复杂一点的CPU，或者说是FPGA之类的，它可能要求它的核心电压要首先供上电，然后它的外围接口部分才能供电。因为如果说在发生这些错误的时候就可能造成，在上电和断电的过程当中出现一些意外，可能会把系统给弄崩溃掉，或者把器件损坏掉。
然后在一些应用当中，我们可能还需要调制，我这里说的调制是指，打个比方我们现在要用RGB三种颜色的LED来驱动三种不同颜色的LED灯，那去实现什么呢？就是把这几种不同的光混合在一起来照射某种东西，尤其像我们的投影仪，需要显示不同的颜色就需要RGB这三种颜色的光，所以我们就要对时间上的控制非常严格。另外，如果你要想实现比较好的动态的对比度，我们可能还需要对每一张图像进行分析，然后得出来说，这个时候我的红光需要比较暗一点，蓝光比较亮一点，这个时候你就需要有一个相应的信号去对这个电流进行调节，那这种状况下，就是我所指的调制的意思。所以对于这个时序上的控制，时间上的控制，这个是大家一定要注意的一个问题。
另外就是对于不同的应用系统，它的场合不同，它对可靠性的要求也是不一样的。我们作为玩的时候，可能只要能够工作起来，然后甚至有的系统可能就是工作一次就够了，但是对于，像我们的手机，我们是每天都要用的，如果它可靠性不够好，那我们就不能把它用得很好，我们的感受会非常地糟糕。对于像一些医疗系统来讲，那它是要关系到我们人的生命的问题，所以这个时候它的长期可靠性，它的抗干扰能力就会变得非常重要，这些都是我们在选择器件进行信息系统设计的时候非常重要的考虑。
然后我们在了解清楚需求之后，那我们要考虑的就是供给到底是怎么样的？供给就是指的是我们的电源来自哪里？有的是来自于电网，有的是来自于电池，有的可能是现场的发电机，那它们都不一样，那当你选择了一个电源的时候，它既能满足你的需要，同时它也给了你一个限制，你只有在这个限制之下去把这个系统做好了，它才能够在它应该工作的时候好地工作，否则的话就可能不能满足你的需要。打个比方，一个电池它的容量比较小，可是你实际消耗的又比较大，那你如果在设计的时候没有考虑到这一点，那你工作到一定的时候，电没了，那你就得不到你想要的效果。
如何设计一个电源管理系统
所以我们了解清楚这个供给，了解清楚这个需求之后，那我们就可以开始来进行进一步的系统如何设计的思考。
那如果你的电源和你的负载之间恰好是相配的，打个比方你就是弄了一个稳压电源，然后有5V的输出，如果你需要的就是5V，那这个时候我们直接对接起来就可以了，那如果不是这样你就需要进行一些转换。如果说在系统里面有两个电源或者有两个负载的时候，你这个时候的设计、考虑也是不一样的，因为我们要实现的东西越多，这个关系就越复杂，你需要进行的思考就会越多。
那我们在做设计的时候就是需要了解清楚每一个需求，然后把这些需求进行汇总，汇总的目的是为了清楚每一个需要，然后要把它简单化，因为系统越简单，这个系统的可靠性也越高，然后你的成本也是越低的。
我们现在就来从一个最简单的系统开始，假设说你现在有一个5V的电源，它最大的电流供应的能力就是1Amax，这个时候你需要的系统也是5V、1Amax，这个时候你做法就非常简单，直接把它连接起来就行了。但是你为了让你的系统能够很稳定的从一个时间点开始工作，我们都知道CPU需要从一个固定状态开始启动，这个时候我们通常就会考虑到说我要加一个Reset IC，它就是让我的供电还没有达到5V的时候我一定让我的系统处在不工作的状态，然后到了某一个时间点我确保电源已经稳定了，我才让这个系统开始工作，这样就会做得比较好。
现在我们就让这个系统逐渐变得复杂起来，比如说我的负载变成了3.3V、1A的需求，那这个时候我们就需要增加一个稳压器，就是把这个5V转成3.3V，同时电流供应原理也是能够达到1Amax。最典型的解决方案就是线性稳压器，我们习惯用LDO代替了。
那现在我们把这个加进去了，加进去之后就会有新的问题产生了，以前我们是对5V电压进行检测，现在我就对3.3V进行检测，因为从5V降到3.3V，我在这个期间上就有1Amax的电流流入，而且有1.7V的压差，所以在这个上面就有1.7W的功耗，这是很可怕的一件事情，因为在一个有限的空间里面，一个有限的封装上，这个热是一定要出来的，我们可能就会面临发热的问题，然后你需要去选择大的封装，甚至加上散热器才能够使得它工作。那有没有改善的空间呢？有，那我们就进一步地改变，那我们就把这个电路网，把线性稳压器拿掉，就变成一个Buck，这样它的效率就很高了，可以达到90%几，所以这个时候你看这个Buck的加入就给我们带来一个好处，比如说我们的效率是100%的，那这个电源就多出了1.7W的功率可以被使用去做其他的事情，所以同样一个5V1Amax的电源，我们就可以在负载部分去满足一个3.3V1A，同时满足一个假如我的核心电压是1.8V0.5A我加一个Buck上去，这个电源就会被运用得很好。
那我们可不可以用别的办法来控制呢？可以。打个比方，我们增加一个电路进去，这个时候我们就可以实现什么样的功能？就是我电源加上之后，我的系统是没有工作的，因为电源没有插上。那我们用一个开关一按下去接通了，那这个电就会加到我的3.3V里面，我把这个3.3V启动起来，把1.8V启动起来送到系统去，让系统工作，系统送回来一个信号耦合起来之后，让这个系统继续维持在工作状态下。当我的系统要停止工作怎么办呢？我的CPU只需要把这个信号撤掉变成低电阻，那我就没有工作了，就关机了，过去我们都是用这种方法去实现的。但这个是不是最完善的呢？还没有，我们还没有考虑时序的办法，1.8V、3.3V的时序，我们只是加了一个启动的信号，让它维持在某一个状态，然后它就持续工作了，这是不完善的。那进一步的，当我们考虑到这些问题的时候，这个电路就会变得越来越复杂，这个时候可能作为一个普通的应用来讲，你已经开始烦了，那怎么做呢？通常来讲我们就会把这些启动、维持这些电路放到我们的芯片里面去，那你这个时候就要选择有时序管理部门的电源管理器件来满足你的需要。
电池供电系统设计
我就把这种考虑，系统设计的思想来拿我们一些具体的应用来谈一谈，这样我想大家可能会比较有感觉一点。
作为电池来讲就是两种状态，一个是充电，一个是放电。那我们在使用它的时候，有的时候我们可能考虑只是给它充电，或者说我还要把这个电池放到系统里面去，然后在系统里面充电，或者是我充放电的时候我都是把电池拿出来的，这是两种完全不同的状态，这样我们系统设计出来就是完全不一样的。还有就是我们的电池是串联，会不会把它串联，因为我要产生一个比较高的电压，打个比方说，我是锂电池，那我要两节串联起来产生一个6V、7V的电压，8点几伏的电压满足我们的需要，那这种情况下，我就要考虑我在充电的时候我的系统要不要工作？是否容许它在充电的时候有短暂的时间不工作，这都是会影响你对器件的选择的。另外还有就是效率要求，打个比方说，我们刚才谈那个稳压器的时候，就有线性稳压器，它的效率比较差一些，尤其是在压差大的时候效率会比较差，那这个时候我们就要考虑我不能使用线性的充电器，而要采用开关方式的充电器。另外环境的要求也会影响你对电池的选择，像在温度很低的情况下，比如低于0度，那这个时候电池的特性已经变得很糟糕了，因为在温度低的情况下，电池里面的物质活性很差，那这个时候它的电是取不出来的，在温度高的情况下，电池的状态也不好，那我们只能在一定的温度范围之内去使用锂电池，可能在温度很低的情况下你就要考虑我是不是要去采用干电池考虑这个供电问题。
但就充电部分来讲也有很多不同的方法，因为不同的电池的需求是不一样的。像以锂离子电池来讲，它的最高的电压通常来讲就是在4.2V-4.3V左右，因为电池所用的材料不同它的电压会有差别，然后容量不同充电的电流也会不同。然后充电速度的快慢也会影响电池的寿命，这些都要考虑到。
通常来讲我们为了让电池能够好好地工作，会采用三阶段式的充电方法，就是在电池电压比较低，打个比方说单节锂电池在2.9V、3.0V以下的时候我们要用很小的电流给它充电，这个时候是为了让电池进入一个状态的调整，是它能够承受大电流充电的状态，然后把电压充到这个值之后，再用一个比较大的电流去充电，充到4.2V、4.3V的时候我们就要用恒压充电的方法去充电。然后不同的温度也会有不同的充电方法，比如在日本他们要求在温度不同的时候，尤其在低温的时候他会要求你把充电的电流降下来，因为我们刚才讲了，电池的活性电差，所以用小的电流给它充电可以，电流大了以后电池就容易坏掉，这不是一个方法就可以满足所有需要的，在不同的情况下我们要做不同的选择。
转换电路的架构的话，也是有多种不同的选择，当然要根据不同的系统，有一些系统就是不能用开关方式充电，有一些系统就只有用开关充电，因为效率高，发热小，这个时候它的系统才可以充电。对于我们大部分的便携式设备来讲，通常来讲是用线性方式充电的，像做移动电源的，那小容量的通常来讲还可以用线性方式充电，可是大容量的一定要用开关方式充电，这样充电的时间短。
为了满足各种不同的需要，大家如果上我们的网站就可以看到有几十种不同的充电器，有开关式的，有线性的，有带温度保护的，有不带温度保护的。有电流可以调整，有电流不调整的，有的是可控的，有的是自身完全独立工作的。有的是带有路径管理，就是在充电的时候，这个电流可以给电池充电，或者给系统供电之间进行分配的这样一些器件，所以我们要开发各种不同的器件来配合大家的需要。还有就是电池，比如有铅酸蓄电池，我们旁边的展台上就有，大家感兴趣可以去看一看。
LED照明电源系统设计
再给大家举一个案例就是MR16的LED灯的应用，它的演进过程，我从这个应用最初开始讲一直讲到现在最新的产品，是怎么做的，里面经过了很多的曲折。
大家看到的这个图，这就是最原始的MR16的灯，它是卤素灯，它里面是用的灯丝，就是钨丝，然后里面充上卤素的气体，这种灯的特性是电阻特性，同时按照规格，它的供电，这个地方给它供电的是12V的交流电压。所以最传统的供电方法是什么呢？就是用一个变压器把这个220V的电压或者110V的电压转换成12V来给它供电，后来又搞出了电子变压器，就是为了提高效率。那电子变压器市场上有各种不同的品牌，国际品牌做的电子变压器和我们国内做的很多电子变压器，它们是不一样的。通常来讲国内做的品牌的产品，它的电路非常简单，电流完全是由负载决定的；那很多国际品牌他们加了很多的保护，物流保护，它安全性的考虑上会多一些。
那不同的设计就给我们LED想去替代卤素灯带来了巨大的问题，卤素灯是通过热的方式来发光，然后把光传递出来了让我们照明，这种系统因为它是热，所以它又有巨大的滞后，所以只要电压加上，它这个光就是稳定的，它不闪；那LED是只要有一颗电子流过它，这个光就出来了，所以它是及时亮的，电压一加上它就亮了，电压一流过它它就亮了。这个时候可变的交流信号加上去之后，它是不能直接使用的，于是乎就出现了最初的解决MR16的电路。
这个部分是一个整流电路，12V的电压从这里加进来，经过整流以后电路里面出来，然后后面是一颗LED的电路，通常来讲是采用一个大的电路，就是降压型的，然后去通过调整工作状态，使得流过LED的电流总是处在恒定的状态。可是在这个电路里面，因为它是交流信号进来的，它需要靠这个电容出来，之后再用Buck给它负载供电，由于这里进来的电压是变化的，这个地方出能的多少，以及负载消耗的多少就决定了它一个周期里面正常工作的状态能够维持多久。
当电容里的电压太低的时候负载就得不到足够的电能，这个灯就会暗下去，这个图就是最明显的，大家可以看一下，这个是高频的振荡信号，每一次启动的时候出现在大电流的状态，这个电流通常来讲会大到几十个安培，三四十个安培，四五十个安培都可以，因为它出来之后就是直接给电容充电，我们可以把这个电阻理解为0，实际上理论上来讲电阻是无限的，但实际的电路不会是无限的，因为电路上总是有电阻存在，还有电感存在。那靠这个电容出的能给负载供电，在这一段，这个电流基本上还恒定，随着电压的上升，这个电流也在增加，它增加到一定的时候，这个电压已经不上升了，为什么？因为输入端的电已经进不来了，就全靠电容来出能。比较好的状态是说我把这个电容放得很大，那这个电流稳定的时间可以变得比较长，可是这个由于空间是有限的，所以它的出能总是有限的。那电容增大了之后，这边的这个电流又会增加，这是个恶性循环，怎么都解决不了这个问题。那它带来的影响又是什么呢？这个光是变化的，随着这个变化而变化，然后再加上电网电压的不稳定，电子变压器工作状态的不确定性，那我们还会看到闪这样的状况出现，然后不同的电子变压器接上去之后，它的闪的状况还不同。通常来讲，咱们缺少保护措施的那些电子变压器，它的工作状态特别好，加上那些保护功能之后，它的状态就变差了。那为了让这个不闪，我们做了很多很多的工作，很多的人做了无数的测试，都不把它解决好，那个时候问题出在哪里？就是对电子变压器到LED之间，这一个供给和一个负载的需求之间，这个关系的把握不到位，就以我们自己来讲，也经历了这样的过程。
这个就是进来以后的方案，这个是Buck Boost，这个电压在工作的时候，在这个上面它把这个电压升上去，以这个地方为参照点，把电流送到LED里面去，那这个时候，从理论上来讲，只要我这个地方有足够的电能的储存的话，它总是能够得到电流的。可是这个时候这个电流它有一个很大的缺陷：第一个，它的效率高；第二个，由于没有解决电子变压器的匹配性的问题，所以它既发热，然后它的闪烁的问题也不能消除。
做这样的电路有时候是让我们很辛苦的。有一次我拿到一块板子说，这个闪烁问题已经解决了，然后很高兴地拿到客户那里去进行测试，结果几十个电子变压器拿出来，效果还不如原来那个好，就是它的环境变了它的状态就不同。
这个是第三个方案，我把它定义为第三个，其实还不止，因为从前面的电路到这个电路之间，用了两三年的时间，然后为了解决这个问题，就以我自己所做的实验，我想不下50种，不同的电路结构、做法。
那这个电路怎么做的呢？这个是整流电复进来的信号，先经过了一个LC的滤过器，这个电路电感的进来就是让这个电流增长的速度不要太快，电容的进入是为了出能。这个电容很小，就使得进来的电流不会太大，那我就在中间加了一个Boost的电路，Boost的电路它的输入电路是连续的，输出电路不是连续的，然后我把这个电压进行了提升，提升了之后的电压，我把这个电能放在一个电容里面，它是一个储能环境，前面的方案都是把电能储存在这个电容里面，现在我们把它往后移了，移了之后，储存在这里。我们都知道电容里面所储存的能量是1/2×电容量C，然后乘上电压的平方，所以这里的能量越多我Boost的电路在取电的时候就有足够的能力去满足我负载的需求，所以我就让我负载的电流永远都是恒定的，它永远都不会闪，同时又让输入端电流不会太大。但是这个电路做出来之后没人买，它性能很好没人买，为什么？因为我们整个市场都还没有做好准备，这个电路太复杂了，它的空间占用很大，我等了一年时间才有人买。所以做新产品的过程其实是蛮辛苦的。
那这个东西有人买了之后就有人发现它的好处嘛，那就开始真正的上量了，于是乎我们就做下一步的工作，把这个架构集成化。
这个地方是刚才那个电路加电的一瞬间，因为有电容的存在，它会有一个大的电流脉冲。然后到了后面之后，你看，这是第一个半波，然后第二个半波来的时候就已经没有大电流了，我们把这个电流基本上限制在两安培左右。
这个就是我们近期的方案，RT8476，就是把刚才的电路集成在这上面，用这个方式把电路得到了减半，同时我又能够缩小体积，然后使得它能够放到很多的根据里面去。但这个时候，大家可以看看这个电流是没有大的电流脉冲的，这个电流是完全被限制住的，输出电流永远都是恒定的一条直线，因为我们照明，如果你们现在在开始用LED灯的话要小心，因为有很多的LED灯是闪烁的，只是你的眼睛，你的大脑反应不过来，它是随着交流电压的波动而波动的。那你们怎么去看呢？就是拿你的手机摄像头对着它，如果这个画面是波动的，那这个灯一定有问题，虽然说你的眼睛觉得它不闪，但是它一样伤害你的眼睛，因为电流一般超过输出电流的3.2%，你的眼睛就会受到伤害，所以它不闪之后你再去买这样的灯，其他的产品你就让它做垃圾吧。我不能说这是我们的现状，我们很多人在制造垃圾，但是没办法，因为这是市场的需要。
那这个RT8479就是最新的做法，刚才我们看到有把这个MOSFET管放在外面，但是现在就是放在里面了，这样整体成本会进一步降低，但是同时它也带来一个切线，因为我把MOSFET管集成在里面，那MOSFET管在开关的时候它会发热，所以相对来讲这个的功率，能够做的负载的功率就会小一些。但是恰恰随着LED性能的改善，功率小是一个好事，对不对？同时另外一个是什么呢？就是对于电子变压器来讲，你的这个功率稍微小一些之后，它的工作的时间，如果我的电流比较大，我的工作时间变短；如果说你的电流设计得比较长，那我这个时候，它有电流的时间就会比较长一些，那我基本上我可以得到一个电流翻波这样的情况，这样我的PF值就比较高的，对电流的污染就会比较小。
大家可以看一下这个板的也比较小，刚才那个板子的尺寸还是28mm，这个已经可以用20mm×22mm的板子来做了，这个板子要比刚才那个板子小很多。
我想这个就是随着我们对LED特性，以及电子变压器适应性的理解越来越深刻之后，我们做的一些改进的工作。我自己觉得大家可以把这个当做一个故事来听，你不一定会用这个产品，但是我觉得这个探索的过程蛮重要的，其实这个电路里面还增加了PF的功能在里面，它会根据第二级消耗的状态去动态调整这个大小。如果是前面的Mosfets管放在外面的方式，那它的兼容性就可以做得好一些，因为可以把电流做得更大，各有各的好处，相对最简单的做法来讲，它的成本也提高了。只是我想的话，就是我们作为工程师来讲，我们人的生命更重要，我们在做产品的时候，我们要去满足我们自己的需要，而不是去满足市场的需要，市场常常是个黑洞，它既会让你慢慢地走入一个黑暗的深远，让你不得翻身，你会越来越说我赚不到钱，可是你的产品做得越来越差。那我觉得只有满足我们人类需要的东西，它才是长久的，它才是可以持续的，我很愿意和大家一起共同努力，大家有什么问题的话可以向我提出来，我会尽力地去给大家做解答。
