淺談電源管理

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。

-- 既然要推廣半調子運動，我想就以最淺顯易懂、最少專有名詞的方式撰寫，以達成真正能夠簡單的得到知識之目的。文章很臭長，但相信可以幫助思考，讓學習不只是輸入，也許能夠做到舉一反三。

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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）。

-- 面臨中央處理器、通訊晶片...等積體電路所需求的電壓不同，經由牆壁上台電提供的110伏特交流電壓也必須跟著修正。但是台電終究是台電，台灣的電都由他產生，他沒辦法為誰改變。因此在台電與晶片之間我們需要一個媒介,幫忙把110伏特的交流電做適當的轉換提供給積體電路（5伏特，3伏特，1.8伏特，0.9伏特 ...），這之間的過程稱之為電源管理。

-- 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。