ZLG嵌入式笔记 电源设计避坑（下）

  产品上量后，通常都会有降成需求。多年来，接触过不少产品降成案例，在电源上下刀过猛，引发了产品偶发性问题，带来了很不好的负面影响。本文将对这些案例进行总结，提供电源设计参考，确定保证产品降成不降质量。

  在上一期《电源设计避坑（上）》中，我们讨论了电源设计中的电源功率、稳定性、纹波控制以及尖峰和浪涌的问题，并结合实际案例提出了相应的应对措施。接下来，我们将继续探索电源设计的其他关键考量因素。

  电机在启动时会产生较大的启动电流和冲击电流，这可能会对电源造成压力和不稳定。如果电源没足够的承载能力，有几率会使电源过载、电压波动等问题，进而影响产品的性能和稳定能力。因此，在为电机等大功率设备选择电源时，需最大限度地考虑其启动电流和冲击电流的大小，选择正真适合的电源规格和保护措施。

  当电机还未启动转速为零时，加上额定380V电压而启动，它瞬间的线电流称为启动电流，这个启动电流是从小至大而又回到额定电流。异步电机直接启动时，其启动电流最大可达到额定电流的4~7倍，这是对电网造成影响的主要因素。

  首先是使电网电压瞬间下降，俗称的压降。特别在电源容量小（电力变压器容量小）和大功率电机启动的情况下，电压下降更大，不仅使该电机启动困难，还影响到电源线路上其他电机的正常运行。

  电机启动时的瞬时大电流，对电机本身和电网电源都有非常大的影响。另一方面，过大的启动电流将使电机和线路上的电能损耗增加，特别是在频繁启动、启动较慢、或启动过程较长的情况下，电能损耗更大，更容易造成电机严重发热。所以，只要电机在启动时对供电线路有压降影响的都应限制其启动电流。

  启动电流是指电气设备（感性负载）在通电的瞬间到运行平稳的短暂的时间内的电流变化量，这个电流一般是额定电流的4~7倍。国家规定，为了线路的运行安全及其它电气设备的正常运行，大功率的发动机必须加装启动设备，以降低启动电流。

  在电路学中，给负载通电的一瞬间，通常会产生大电流，这就是冲击电流。这个现象大多数表现在容性负载中，例如电容，在上电一瞬间是相当于短路的，瞬间电流理论上是无限大的。但电机（直流和三相）作为感性负载，如果表现其固有机械特性，怎么会有很大的启动电流呢？

  我们知道，电感具有阻止电流变化的作用，能够瞬间承受较大的电压，因此感性负载是有助于稳定电流的。电机是一种感性负载，但在电机启动的一瞬间，由于电机定子和转子之间相对运动的速度几乎为0，即没有切割磁场的运动，就不会在电路中产生反电动势（互感电压为0），忽略线圈自感的作用。此时，几乎所有的电压都加在了电路的电阻上，由于电阻很小，因此电流很大。这就是说，并不是因为电机是感性负载而导致大的冲击电流，而是因为缺少切割磁场的运动，没有互感电动势造成的。

  这类电源建议采取软启动设计，在电源启动过程中逐渐改变机械特性，调整电路参数，使启动电流逐渐增加到正常值的一种方法，能够尽可能的防止形成较大的冲击电流。常见的交流电机的启动方法有直接启动、串电阻启动、自耦变压器启动、星三角减压启动及软启动器和变频器启动的方法来减小对电网的影响。

  实际案例：某工业机器人生产线在启动时，机器人常常会出现启动缓慢或无法启动的问题。经过调查和分析，发现电源在机器人启动时没办法提供足够的启动电流，导致机器人无法正常启动。

  应对措施：选择有充足承载能力的电源，以应对电机等大功率设备的启动电流和冲击电流。在选择电源时，应最大限度地考虑设备的启动电流和冲击电流的大小，选择正真适合的电源规格和保护的方法。此外，还可采取软启动电路等辅助措施来降低启动电流对电源的影响。

  在重要场合，如医院、数据中心等，需保证电源的稳定性和不间断供电。因此，他们会使用备用电源来应对突发情况，如电源故障或电力中断。如果在这些场合中使用了降成的电源方案，有几率会使重要的设备失去电力供应，导致非常严重的后果。因此，对这些关键设备，应选择可靠的电源方案以确保备用电源的稳定性和可靠性。

  实际案例：某医院在电力中断后，重要医疗设施无法正常运行。经过调查发现，该医院未配备备用电源，导致重要设备失去电力供应。

  应对措施：对于关键设备和重要场合，应选择配备备用电源的方案。备用电源可确保在电源故障或电力中断时，设备能够保持正常运行。在选择备用电源时，应考虑其电力容量、供电时间和可靠性等因素，以确保设备在各种突发情况下能够持续稳定运行。

  在电源设计中留有一定的余量是必要的。如果电源布局设计过于紧凑或负载计算偏低，有几率会使电源过热或过载，进而影响产品的稳定性和可靠性。因此，在电源设计过程中，应最大限度地考虑负载需求、散热条件等因素，合理选择电源的规格，以确定保证产品在各种工况下的稳定运行。

  实际案例：某服务器在运行高负载任务时出现性能直线下降的问题。经过调查和分析，发现电源在设计时预留的余量过小，导致电源过载而影响服务器的性能。

  应对措施：在电源设计时留有适当的余量是必要的。通过合理计算负载需求和预留适当的余量，可降低电源过载的可能性，提升产品的稳定性和可靠性。在关键设备和重要场合，应选择具有更大余量的电源设计，以确保设备在高负载情况下仍能保持稳定运行。

  优化电源电路设计可提高电源的效率和稳定能力。通过合理设计电路结构、选择正真适合的元件和采取散热措施等手段，可降低电源内部的功耗和温升，提高电源的可靠性和寿命。

  为了及时有效地发现电源故障或不正常的情况，可在电源系统中增加监控装置。通过实时监测电源的电压、电流、温度等参数，可及时有效地发现异常并采取对应的处理解决措施，避免对设备造成损坏。

  定期对电源来维护和检查可及时有效地发现潜在的问题并采取对应的措施。例如，可定期清理电源内部的灰尘和污垢，检查电源线路是否松动或老化，以确保电源的稳定运行。

  针对电源方面的知识和技能进行培训和知识更新，可提高研发人员和维护人员的专业水平和工作效率。通过了解电源的基础原理、普遍的问题及解决方案，他们可更好地应对各种电源相关的问题，减少产品降成带来的不良后果。

  产品降成从电源上下刀子是一种得不偿失的做法，我们需重视电源的选择和使用。通过合理选择正真适合的电源、优化电路设计、增加备份或冗余措施、实时检测与监控、定期维护和检查以及培训与知识更新等手段，可有效地提升产品的性能、可靠性和安全性，避免因电源问题而引发的产品故障和损失。返回搜狐，查看更加多