前言
-- 攝取知識是人的天性,從發現問題到解決問題的過程可以替我們帶來成就感,並且滿足最基本的求知慾。隨著網路的發達,我們已經可以簡單的獲取許多專業的知識。但是面臨不是自己所熟知的專業領域,卻常因為過多的專有名詞使之作罷。
在解釋電源管理是什麼之前,請先思考兩個問題:
1.為何電源需要管理?
2.為什麼叫做電源"管理"?
-- 電路板上,每看到一個電性元件就是一個能量的損失(先避開特殊狀況)。如果電路板上不需要電源管理的元件,不但能為板子上省下許多空間,也必然減少板子上的損失。既然如此為何需要電源管理?
-- 事實上如果可以不需要電源管理,任何產品只要接上牆壁上來自於台電的110伏特交流電即可使用,是多麼方便的事情。但也由於科技的發達、製成的進步,積體電路(IC)所需要的工作電壓持續下降當中(製成,效率,耐壓...等考量)。
-- 現在已經對於為何需要電源管理以及為何稱之為電源"管理"有初步的了解!請再思考一個問題:已知一10伏特直流電源,欲製作一2伏特直流電源,試問該怎麼做?
(請努力的思考這個問題,在放棄之前決不要往下看文章,因為做電源管理的人已經被現有的理論給侷限。如果你從來不知道什麼是電源管理,請努力的想、絞盡腦汁的想,說不定還是一張純潔無暇白紙的你就是創新電源管理領域的新秀。)
-- 放棄了嗎?沒關係!(不過歡迎推文回報你花多少時間放棄,我想這也是另外一個有趣的問題:AGT(Average Giving-up Time),但是在維基百科上沒有查到任何資料,或許是因為這個名詞是我剛才發明吧!)下面會簡單探討現今電源管理的處理方式:
『步驟一』
問:如果把今天的早中晚餐一次準備好,請你在早上一口氣吃完,今天就別再吃了,請告訴我這個要求過不過份?
答:當然過份,為什麼要吃得這麼撐,餓了在吃不行嗎?
-- 如果你的回答跟上述一樣,我想你已經踏進了電源管理的門檻,要利用10伏特直流轉換成2伏特直流也是這種少量多餐的概念。在電源以及積體電路的中間適當的裝上一個開關,透過不斷的打開/關閉開關達成能量的傳送,電源的管理就是從這邊開始。
-- 如上圖所示,這種概念可不可行?需要多少能量,先一次給予,用完了再索取。但是稍早提到,積體電路所能"直接接觸"到的電壓只能壓低在2伏特(以下均以2伏特為例)。雖然能量這樣給予是可行的,但是10伏特的電壓會把積體電路燒壞(早上只吃早餐可接受,但是要一口吞掉,嘴巴不夠大)。
-- 這時候符合邏輯的思考方式應該是:如果有一個東西能將這些能量慢慢的送過去有多好阿!值得慶幸的是在被動元件當中(電阻,電容,電感),電容是一個可以拿來濾電壓的元件:
如上圖所示,適當的開啟/關閉開關,就能夠在電容上達成轉換2伏特電壓的目的。理論上這樣已經做完了電源管理了吧?
『步驟二』
-- 不過仔細想想,電容之所以可以"濾電壓",是因為該元件的特性:電容上的電壓不能瞬間改變,除非...瞬間能夠灌進/抽掉極大的電流,如下面公式所示:
-- 其實在理想的世界當中,任何的元件如果能夠承受瞬間極大的電流,那麼電源的轉換真的已經完成了! 可惜的是我們不在理想的世界當中。任何元件受到瞬間極大的電流都會壞掉,因此還是正視這個問題好了。瞬間極大的電流怎麼辦?
-- 這時候符合邏輯的思考方式應該是:如果有一個東西能將這些能量慢慢的送過去有多好阿!又值得慶幸的是在被動元件當中,電感是一個可以拿來濾電流的元件:
如上圖所示,適當的開啟/關閉開關,就能夠在電容上達成轉換2伏特電壓的目的,並且沒有瞬間極大的電流,理論上這樣總該做完了電源管理了吧?
『步驟三』
-- 不過仔細想想,電感之所以可以"濾電流",是因為他有一個特性:電感上的電流不能瞬間改變,除非...瞬間能夠加上極大的電壓,如下面公式所示:
-- 此時此刻,如果腦筋夠靈敏,能夠舉一反三的你應該會想到:
(啊!我知道了!找個極大的電壓加上去,然後又拿電流濾波...$##$%#,還可以寫成無限循環的迴圈:
while(1)
{
加電容>>濾電壓
加電感>>濾電流
} )
-- Nice try,but wrong!因為這樣會沒完沒了。也因為會沒完沒了,應該要有另一個符合邏輯的思考方式:既然電流流到一半開關就必須要斷開了,那就斷開吧,但能不能找到其他的路徑給電流流過? 不致使電感上的電流產生瞬間的變化。
-- 如上圖所示,適當的在電路中加上二極體,讓開關斷開時,電感上的電流有路徑流即可。
-- 這時候符合邏輯的思考方式應該是:可是這樣電流就在某一個路徑一直畫圈圈,不是很怪嗎?能有這樣的疑問確實代表你已經能融入符合邏輯的思考了!不過電路也是相當人性化的,如果在生活周遭看到下面影片的現象不覺得怪,我想我們也不用對電流一直轉圈圈感到大驚小怪了!
文章介紹簡易的電源轉換概念,以10伏特直流轉換2伏特直流為例子,如有錯誤請不吝嗇的指教。