原標(biāo)題：一文介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的四種電源

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（如工業(yè)PLC、嵌入式控制器、機(jī)器人主控單元等）對(duì)電源的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力要求極高。根據(jù)功能和應(yīng)用場(chǎng)景，其電源系統(tǒng)通常分為以下四類，以下從原理、特性及典型應(yīng)用展開分析。

一、主電源（Primary Power Supply）

1. 定義與作用

• 主電源是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心供電單元，負(fù)責(zé)將外部輸入電源（如市電220V AC或直流母線）轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部所需的穩(wěn)定電壓（如5V、12V、24V DC）。

• 功能：為CPU、內(nèi)存、總線接口等核心部件供電，需滿足高精度、低紋波和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。

2. 典型實(shí)現(xiàn)方案

• 開關(guān)電源（SMPS）：

• 原理：通過高頻開關(guān)管（如MOSFET）和變壓器實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，效率高（通常>85%）。

• 優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、效率高。

• 缺點(diǎn)：開關(guān)噪聲可能干擾敏感電路，需加強(qiáng)濾波設(shè)計(jì)。

• 線性電源（LDO）：

• 原理：通過晶體管線性調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)降壓，紋波低。

• 應(yīng)用場(chǎng)景：對(duì)噪聲敏感的模擬電路（如ADC參考電壓）供電。

3. 關(guān)鍵參數(shù)

• 輸入電壓范圍：85V~265V AC（寬電壓輸入，適應(yīng)不同電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)）。

• 輸出功率：根據(jù)系統(tǒng)功耗選擇（如100W~500W）。

• 效率：>90%（減少發(fā)熱，提升可靠性）。

• 保護(hù)功能：過壓保護(hù)（OVP）、過流保護(hù)（OCP）、短路保護(hù)（SCP）。

二、備用電源（Backup Power Supply）

1. 定義與作用

• 備用電源在主電源失效時(shí)提供臨時(shí)供電，確保系統(tǒng)安全關(guān)機(jī)或維持關(guān)鍵功能（如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、緊急制動(dòng)）。

• 典型應(yīng)用：

• 工業(yè)控制器：主電源斷電時(shí)保存工藝參數(shù)。

• 車載ECU：碰撞時(shí)確保氣囊正常觸發(fā)。

2. 典型實(shí)現(xiàn)方案

• 超級(jí)電容（Supercapacitor）：

• 優(yōu)點(diǎn)：充放電速度快（毫秒級(jí)響應(yīng)），壽命長（>10萬次循環(huán)）。

• 缺點(diǎn)：能量密度低，需多節(jié)串聯(lián)提高電壓。

• 鋰電池（Li-ion）：

• 優(yōu)點(diǎn)：能量密度高，適合長時(shí)間備用。

• 缺點(diǎn)：需電池管理系統(tǒng)（BMS）防止過充/過放。

3. 關(guān)鍵參數(shù)

• 容量：根據(jù)備用時(shí)間選擇（如10F超級(jí)電容可支持5V@1A負(fù)載10秒）。

• 切換時(shí)間：<10ms（確保無間斷供電）。

• 自放電率：超級(jí)電容<5%/月，鋰電池<2%/月。

三、隔離電源（Isolated Power Supply）

1. 定義與作用

• 隔離電源通過變壓器或光耦實(shí)現(xiàn)輸入/輸出電氣隔離，阻斷地環(huán)路干擾和高壓沖擊，保護(hù)敏感電路。

• 典型應(yīng)用：

• 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線：隔離CAN、RS-485等通信接口。

• 醫(yī)療設(shè)備：隔離患者與市電，防止漏電風(fēng)險(xiǎn)。

2. 典型實(shí)現(xiàn)方案

• 反激式隔離電源：

• 原理：通過變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。

• 應(yīng)用場(chǎng)景：小功率隔離（如5W以內(nèi)）。

• 正激式隔離電源：

• 原理：通過復(fù)位繞組消除變壓器磁飽和，適合大功率（如100W以上）。

3. 關(guān)鍵參數(shù)

• 隔離電壓：2500V DC（工業(yè)）、5000V DC（醫(yī)療）。

• 漏電流：<5μA（醫(yī)療設(shè)備需更嚴(yán)格）。

• 效率：>80%（反激式），>85%（正激式）。

四、冗余電源（Redundant Power Supply）

1. 定義與作用

• 冗余電源通過多電源并聯(lián)或N+1備份提高系統(tǒng)可靠性，單個(gè)電源故障時(shí)系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行。

• 典型應(yīng)用：

• 服務(wù)器：雙電源熱備份，MTBF（平均無故障時(shí)間）提升10倍以上。

• 核電站控制系統(tǒng)：三電源冗余，確保極端情況下的安全性。

2. 典型實(shí)現(xiàn)方案

• ORing二極管冗余：

• 原理：通過二極管實(shí)現(xiàn)電源并聯(lián)，自動(dòng)切換至正常電源。

• 缺點(diǎn)：二極管壓降導(dǎo)致效率降低（約0.7V）。

• 熱插拔控制器冗余：

• 原理：通過MOSFET和控制器實(shí)現(xiàn)零電壓切換，效率高（>95%）。

• 典型器件：TI TPS23753（支持48V輸入，熱插拔電流限制）。

3. 關(guān)鍵參數(shù)

• 冗余度：N+1（如3電源支持2電源負(fù)載）、2N（完全備份）。

• 切換時(shí)間：<10μs（熱插拔控制器方案）。

• 均流精度：<±5%（多電源并聯(lián)時(shí)負(fù)載均衡）。

五、四類電源對(duì)比與應(yīng)用場(chǎng)景

六、設(shè)計(jì)建議

1. 主電源與隔離電源結(jié)合：

• 主電源輸出后接隔離電源，為通信接口供電，避免地電位差干擾。

2. 備用電源容量計(jì)算：

• 根據(jù)負(fù)載功率和備用時(shí)間選擇（如5V@1A負(fù)載，備用10秒需50F超級(jí)電容）。

3. 冗余電源均流設(shè)計(jì)：

• 采用熱插拔控制器（如TI TPS23753）實(shí)現(xiàn)多電源并聯(lián)，避免單電源過載。

七、總結(jié)

• 主電源是系統(tǒng)能量基礎(chǔ)，需高效率、高可靠性。

• 備用電源是安全底線，需快速響應(yīng)、長壽命。

• 隔離電源是抗干擾屏障，需高隔離電壓、低漏電流。

• 冗余電源是可靠性保障，需無縫切換、負(fù)載均衡。

通過合理配置四類電源，可顯著提升計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和抗干擾能力，滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域的嚴(yán)苛需求。