电的历史可以追溯到公元前6世纪，那时候的人们就发现摩擦过的琥珀可以吸引细小的物体。今天的我们很容易解释这种现象，也能明白琥珀的充放电原理。提到充放电，我们首先想到的是电容，字面上理解是储存电的容器。无可非议，能把电存进去，就一定可以释放出来。释放的恰到好处，便是电源了。

    电源是提供电的设备，用电的设备可以理解为负载。负载的意思很简单，负是负担，载是承载。倘若给同样的电压，在相同时间需要消耗更多电能的负载便是大负载。换句话说，电压相同，要电流大，那么阻值小的是大负载（不考虑安培定律以外的情况）。日常生活中处处可见这样的设备，小到手表里的纽扣电池，大到嫦娥三号（刚刚发射成功，赞一个）上的太阳能板。如今，没有电源的人类是没有办法生存的。可是，设计过它的人就会知道，要做成一款合格的电源出来并不那么容易。今天，我站在制作电源的角度上，跟大家交流一些粗陋的看法。

    作为一款设备，合格的电源需要做到源源不断的向外输出电能，但光光如此是远远不够的。电源的参数要求很多，比较重要的有输出电压、驱动能力、效率、稳定度、纹波等，对于交流电还要考虑它的频率大小及其稳定性。

    提到输出电压，不得不先提一下常见电源的两种类型：一是分压；二是开关（充放电）。分压的方法很简单，单纯的电阻串联就可以实现。市场上有专门的芯片，像7812、7905（78和79分别表示+ -、12和05表示电压值）之类。这样的分压芯片只能临时驱动一些小负载，图一方便了事。用过的人知道，摸一下这些芯片是热的，原因也很简单，电阻分压放热。如果你的输入电压为10v，输出电压为5v，那么你这款电源的效率绝对要低于50%。对于大负载的驱动，不仅费电，芯片还会冒烟（过热）。想都不用想，直接枪毙。但这并不意味着分压电源一无是处，在低压差时分压电源有很高效率，而且动态响应快，噪声小，纹波小，体积也小，所以在DSP、FPGA、CPU等之中受广泛应用。

    充放电是另外一种制作电源的方法，实现的过程相对复杂，但理解起来也很容易。就是通过电容的一次次充放电，给外设提供变化的电压。我们知道，电容是无私的，电子的累积和释放过程可以考虑基本不耗电，那么它的效率就可以做到很高。你可能会疑惑，电容的放电电压不是很不稳定吗？刚开始放的时候肯定很大，最后电压就没了，不是吗？你说的很对，但我并没有说要把电容的电给放完。电容放电过程的电压肯定是变化的，但是如果充放电的频率很高，你还能感觉到电压的变化吗？我们平时设计的频率大概是几千赫兹，这样适中的频率宏观上可以取变化电压的平均值，但仍有稳定度因素的差异。

    下一个问题，如何通过充放电来人为改变输出电压大小呢？答案：反馈。给一个参考电压，如果输出电压低于这个参考值就让电容往外放电；反之，停止放电，给电容充电，为它下一次的放电做准备。电压比较的方法很多，运放就是其中的一种。这便是开关电源的设计思路。开关电源有三种拓扑，buck(降压)、boost（升压）和buck-boost。通常，升压电源的效率要相对低一些。

    影响稳定度的可不只是电源类型，负载的影响往往是更大的，这就和电源的驱动能力挂钩了。两款电源都能产生12v电压，就能说它们的性能一样了吗？答案是否定的。在空载（断路）时，产生12v理所当然，但如果加了个大负载，电源的输出电压可能就会改变了。你可能不信，觉得随便加多大的负载，电源的输出电压都应该不会变，那么我问你，如果电源短路呢？当然这是极限情况，我要说的意思你应该能懂。设备所需要的，归根究底，并不是电压，而是电流。如果你设计的电源输出电压2v，输出电流可以达到200A，那应该能卖个天价了吧！如何提升电源的驱动能力呢？功率管是一个不错的选择。

    效率问题，是笔者认为电源最为重要的一个因素（个人看法），很容易联想到的是当今世界的能源危机。你可能会觉得笔者在危言耸听。好吧，咱们来算一笔账（不一定严谨）。美国能源信管所权威预测，2015年全年地球总耗能大概为216990亿千瓦时，一公斤煤释放3千瓦时的能量，两者相除，折合2015全年需要烧煤72.33亿吨。如果所有的供电设备效率为80%，那么将要比效率为90%的设备多燃烧900,000,000吨的煤炭，不用数零了，我告诉你，是9亿吨。所以在电子设计竞赛中往往效率高的电源作品容易脱颖而出，一是要做出来很难；二是其影响可能会改变世界。说它难是因为设计电源所用到的每一个元器件、每一款芯片都要参与工作，而它们中的绝大多数都是耗能元件。在这样的情况下，要保证效率尽可能高会显得尤为困难。

    值得一提的是，在2011年瑞萨杯全国大学生电子设计大赛中，西安电子科技大学的三名学生所做的电源作品摘得桂冠，他们设计的电源效率超过95%，逼近理论值的极限。大家可能没有实际的概念，不知道这意味着什么。笔者曾经做过不下于20件电源作品，包括集成开关电源、变压器电源和带PWM的电源芯片等，而这其中只有一件达到90.7%的，当时就已经兴奋的不得了。还有一个误区要提醒大家的，使用变压器并不能使效率提高，相反，由于大量的线圈加入，还会使效率降低。但为什么还有那么多使用变压器的电源作品呢？变压器的引入主要是产生正负电压和多路电压的。如果你只是想输出一路电压，还是建议不要用变压器，直接使用3843这样的芯片，方便且效率高。

    剩下的工作就是纹波的消除了。在示波器下观察到的电压波形会有抖动，这些抖动是什么？为什么会有时突然跳一下，有时又没了呢？高频分量。示波器用周期采样产生波形，高频分量也有电压值，所以会体现出纹波，但它又不是总存在，或者并不是总是固定大小的，因此会有抖动的效果。但这些都不重要，因为只要我告诉你它是高频分量，你就应该知道解决方法了，答案是滤波。滤波的好坏直接影响电源的质量。因为你是电能的输出端，如果要用这样的电去驱动生成其它信号，而输入本身就是不纯粹的电压，那么只会产生雪崩效应，结果肯定很丑陋。但滤波又并不需要那么严谨，不会要求你使用二阶有源，巴特沃斯型什么的，单纯的阻容元件就够了。我们在使用某款运放芯片时，会在电源输入端加上两个电容，一个瓷片的（104），一个电解的（10uF，大小视输入电压定），其也有消除纹波的作用，因此相当于对电源器件的再一次滤波。做出来的电源要想安全长久的使用，还应该加上过流保护的功能，以免短路时损坏器件。这会稍微影响效率，但是微乎其微的。

    上面讲述的这些是DC（直流）-DC型的，AC(交流)-DC型的只需要在前面加上全波整流，先将交流变成直流就可以了；DC-AC型的叫逆变电源，涉及到导通角的问题，有兴趣的同学可以去看一下电力电子相关的书籍，自动化专业的学生是要学习这方面知识的。

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