电源是什么-优快云博客

最近有很多新生问我电源是什么，学的是什么，在这里我进行一个基础的讲解。

什么是电源

我的教程面向的是学习电源的同学，那么你了解电源吗？什么是电源？电源又是干什么的？

首先，你最开始想到的是我们的手机电池，它给我们带来的最为直观的影响是，哦，我的手机续航怎么这么低，这么快就没电了。说是我们与时间赛跑，不如说是和电量赛跑。

此时，你对于电源的认识是它是一个电能的存储器，我们的电能储存在了里面，像是一个水桶。

在这里，我们首先纠正一个概念，电池里面存储的不是电能，而是化学能。

电池

我们小时候的娱乐活动经常离不开电池，小到赛车供电，大到机器人供电都离不开电池。那么电池如何做到存储能量呢？

这是26650磷酸铁锂电池的内部架构图，我么会发现它里面有两个很重要的东西——正负极。我们的初高中物理应该都学过电压和电流，它们的方向和电源的正负极密切相关。

（电池其实更多的称呼为化学电池，因为里面主要通过锂离子的化学反应来实现电子的移动。其实现电子移动的核心在于锂离子在正负极之间的“摇摆”，也称“摇椅电池”。其储存能量的核心在于锂离子在正极和负极材料中具有的不同的化学势能，即化学键的稳定程度，在充电的时候，外部的能量将锂离子从低能位“搬运到”高能位的功被保存了下来，其体现为势能差。放电的时候，锂离子从高能量的负极移动到较低能量的正极，释放能量差，即势能差）

更专业的东西大家可以自己去网上了解和搜索，这里我们只需要大致知道这么一个原理就可以了。现在你应该直到电池里面存储的实际上是化学能了吧。

那么电池的供电为什么五花八门呢，这个1.2V，那个1.5，还有3.7，通过前面的叙述，这实际上是由我们的正负极材料决定的，我们可以根据能斯特方程去计算，这个我们目前暂不涉及，也并非本专业目前会涉及的内容，往后同样的，对于提到的概念都会给一个适当的精炼的原理讲解，让你在整体上理解，忽略细节。因为我深知点开一个教程，结果里面出现好多原理性的东西他一笔带过，也不讲一下，自己一搜又无法快速弄懂，就很烦，麻烦。

能量

既然刚才我们说过电池他储存的是化学能，可是为什么我们使用的时候是电能呢？难道电能实际上是化学能的一种吗？

少年，你的想法十分有趣，我当初也是这么认为的。

能量是如何划分的，我们日常所说的潮汐能、光能、电能都是十分直接，潮汐就是潮汐和潮流两种运动方式所包含的能量，太阳能就是太阳的热辐射能，电能就是因电荷运动所做功而产生的电势能。那么化学能不就是化学物质里面所包含的能量吗？我们知道化学物质都是由各种分子和原子所组成的，而电子式原子的组成部分，那岂不是说电能就是化学能的一种？

这个推理看起来有点YES，但是少年，你终究棋差一招。

首先，我们需要提炼一下这个推理过程：

1.化学能存在于化学物质之中

2.化学物质由原子和分子组成

3.原子和分子中包含电子

4.电能就是电子运动所产生的电势能

结论，电能式化学能的一种。

1，2，3式基本常识，那问题只能出现在4上了。我们再来回顾一下，电子运动产生什么？

电子

在经典物理（没有不经典物理，我记得初中有一本书叫正经几何，我一直以为有不正经几何）中，我们常用的近似模型里，电子被想象成一个极其微小、带负电的“点粒子”

用这个模型我们能否解释很多宏观的现象，如电流、电压和库仑力。

经典电磁学里，为了方便计算电场、磁场、电势等，我们会将电子抽象为一个没有大小和内部结构的“点电荷”模型。著名的库伦定律、高斯定理、毕奥-萨伐尔定律所有基础的电磁学公式核心模型都是点电荷。

那这样建模的好处在哪里呢，带来了哪些便捷性？

首先，一个没有体积、形状的质点可以用三维坐标系完美的表述，让数学方程更为简单明确，同时一个点电荷在空间中具有完美球对称的特性，我们在选择一个球面作为高斯面的时候，因为电荷的高度对称特性，它产生的电场必然具有相应的对称性，在距离球心相同的半径球面上电场强度大小处处相等，如此就能极其简单地求出电场强度。

我们都知道电子即使粒子也是波，也就是波粒二象性。量子图像最为接近电子的本质。我们不能说电子此刻在某一点，只能说电子在某个区域（或者轨道）出现的概率是多少，表示这个概率的图像我们称之为“电子云”。

同样的，电子实际上不能拥有任意能量，它的能量是量子化的，分为一份份，存放于一些特定的、不连续的能级上。

如果你想对电子和电流有更深的了解，可以去看我的这篇博客：

电路分析启蒙课：电路中电流的形成——电荷是人工智能吗？能精准的识别短路和断路。_电流电荷电子-优快云博客

至于更多的能级、轨道、价电子这些都是化学里面最为基础的内容，可以通过一些短视频快速了解，对于基础电路知识，通过我上面的博客了解即可。

化学能

那么到底什么是化学能？它是一种储存在物质内部结构中的能量，这种能量由原子核与电子构成整个系统的静电势有关系。

化学能指代的是一种静态的，固有的潜力，描述的是这个物质本身“是什么”，比如说氧（O2）和臭氧（O3）这种特定的原子排列方式，本身就是一种化学能。

简而言之，化学能量化了物质相对于更稳定物质所具有的“能量势差”，这是系统的固有属性。

电能

那电能与化学能的区别在哪里呢？电能是电荷定向移动时所承载的能量。

它代表着一种动态的、做功的过程，表述这个物质本身“正在发生什么”，它不像是化学能描述那种静态物质，它指代的是电流供电，驱动电机中的放电回路，这些电荷在移动的过程。

这种能量的传递时一种瞬时的形式，电荷本身时载体，在宏观上集体定向移动才是电能。

为什么是集体定向移动呢，因为在一个混乱运动的气体分子里面，每个电子都在高速随机地移动，它们不断地与其他原子核电子碰撞，这种无序的运动会导致它们大部分的能量相互抵消，没有在哪一个方向上占据明显优势。这种运动就是我们熟知的热能，此处用来解释导体发热，这种状态的电子无法驱动电子整体通过一个电路点亮灯或驱动点击，最核心的因素在于它无法对外做定向的功。

电能与热能最大的区别在于我们多了一个外部电场，给这些电子一个统一、明确的运动方向，虽然每个电子仍然保持着无规则的热运动，但是它们因此获得了一个微小、整体、平均的漂移速度，方向与电场方向相反。在宏观上看起来是沿着到导线移动，这种宏观上的有效性才是我们得以捕获和利用的能量形式。

区别

同时，它们二者并不是互相依赖的关系。

一块充满电的电池，里面充满了化学能，但是我们不使用他，没有电荷的宏观定向移动，其没有电能。

同样的，我们拿毛皮摩擦橡胶棒，其过程没有发生化学变化，但是电子从毛皮转移到了橡胶棒上，这个过程就产生了电能，而没有化学能。

顺便讲一下为什么是电子从毛皮转移到橡胶棒上呢？

这是因为毛皮的电子束缚能力比橡胶棒小，它更容易失去电子，这些失去的电子被橡胶棒捕获。

电源

以上我们区分了一下电能和化学能。

这个时候，你猛的想到了一个问题，电池里面储存的是化学能，而我们使用的是电能，而这两者互不依赖又是如何实现转化的呢？

我们在讲电池的时候已经讲过了这个电池中化学能和电能之间的转换过程，严格来讲，电源是能量转换装置，而非纯粹的储能装置。

所以说，我们日常生活中把储能装置与能量转换装置搞混了。那么比如说我们日常使用的充电宝它到底算是储能装置还是能量转换装置，他其实是一个更为复杂的复合系统，其内部包含了可充电电池（储能+转换单元)和一套开关电源电路（转换单元）。

同样的，电容也是一个储能元件，它储存的是电能本身，但是我们不会把电容称之为“电源”，只有在某些特定瞬间，它短暂地作为主要电能提供者，我们可以说它起到了“电源的作用”。

那么既然电源是能量转换装置，那是不是只有这个从化学能转换为电能的设计称之为电源呢，电源到底是一整个系统还是一小部分设计？

应用场景

在电路设计中，应用场景是一个十分重要的概念和需要考虑的部分。

比如说，我们在使用遥控器的时候，这个设备的电源就是电池，因为这里的电源指代的是整个设备的能量来源，他是一个功能性、黑盒化的定义。

（黑盒化通常是黑盒测试或黑盒优化，黑河测试是一种忽略软件内部结构和实现细节，只考虑输入和输出的功能性测试方法，目的是验证软件功能是否符合需求规格说明书的要求；黑盒优化是一种用户在不需要了解系统内部工作原理的情况下，对参数进行优化的一种方法。其核心在于简化测试程序和优化过程，这也使得电源的概念对于用户来说有了相当大的局限）

但是对于我们电子工程师来说，我们要为一块MCU(微控制单元)设计一个3.3V的电源时，我们所指的不是电池，此时“电源”指的是稳压、滤波、保护等功率电路的设计，电池在这里相当于一个粗糙、不稳定的能量源。

系统

在我们设计电源的时候，系统是一个十分重要的概念，设计电源时“系统思维”贯穿于整个设计、制造和应用的始终。

对于一个成熟的电源，尤其是开关电源，本身就是一个极为复杂的机电热一体化系统，包括：电气系统、磁学系统、热学系统、结构系统、电磁兼容系统等。

你不要一看这么多的系统就感到头大，我先头大一下。对于初学者来说，我们一般只注重于电气系统的开发。

你每一个系统级别的决策，都会影响很多的子系统（系统之间的联动）。

举一个简单的例子：一块跷跷板，左边是橘子，右边是苹果，每一边的板长象征着一边的权重，苹果和橘子的高度分别代表某一个性能。同时，一些性能在一个工程设计是天生就具有无比重要的地位，它们的重量象征着它们对于这个工程的分量。

那么跷跷板、橘子和苹果整体构成了一个系统。我们如果想要让系统中橘子的高度和苹果持平，我们必然要牺牲一部分苹果的性能，并大量割舍和退让苹果在系统中所占的权重以维持两边的平衡。这就是系统的平衡性和联动性。

除此之外，我们还要评判这么一个系统的稳定性和安全性。如果盛放这个系统的桌面稍微抖动了一下，很明显，本就占用很大分量的苹果很容易快速压下跷跷板，这个时候，我们就称这个系统不稳定、安全系数低、易崩坏，多数是超出容量（容量指的是这个平衡状态所允许的抖动区间）

这个时候我们就必须从整体去评判这么一个系统里面，如果要稳定就必然会造成一部分性能的超重，只有一部分超出重量的压制才会使得整体系统的稳定。同样的，如果想要让增高和橘子的高度，要么增加底层配置，让底座增高，要么就是用精湛的技术使得它们达到平衡，这其中又设计技术难度和成本问题。

以上就是我目前所理解的系统思维，这在我们接下来去设计电源的过程时刻会考考虑到这些东西。

电源知识框架

现在你对于这个电源有了一个基础的认识，你现在兴致勃勃，这个电源看起来似乎很有趣啊，我要展开我的电源事业啦！又或者被电源里面这些繁琐的理论和权衡艺术劝退，觉得十分枯燥。

但是你先别急，这里并不是说电源就很困难，也不是电源开发的过程如你想象中一般那么有趣。无论学什么都是需要一个持之以恒的过程，都有其枯燥的地方。

学习电源最大的好处在于它和你大学四年的专业课程十分贴合，电路分析、模电、数电、通讯原理、电磁原理、信号与系统都是和电源有关的知识，几乎说，你掌握了电源你就掌握了大部分的专业知识，甚至是超过专业知识。

那么由我来介绍一下各位电源新生将要面临的学习任务和内容。

首先，电源开发不仅仅在于硬件设计，还在于软件开发，随着现代化电子技术的发展，传统的模拟电路已经无法胜任高精度、高灵活性和复杂算法迁移实现的电路要求。于是，我们现在更为流行软硬相结合的开发模式，及基于MCU的数字电源的开发。

种类

我们的电源分类按如下表进行划分：

	电路工作方式（拓扑结构	控制实现方式
1	线性电源	模拟电源
2	开关电源	数字电源

它们共同构成了四种电源种类：

模拟线性电源

这是最为传统、简单的电源。我们使用晶体管等元件工作在线性区进行降压，多余的能量以热能消耗掉，控制回路完全是模拟电路。

其结构简单，纹波噪声极小，相应速度极快，但是效率低，发热大，体积也大。

我们一般在类似于音频功放、精密测量仪器这类对电源质量要求极高的场合采用。

模拟开关电源——主流

及采用开关拓扑(Buck\Boost\反激)，但是控制核心是模拟PWM芯片。

这种电路效率高、体积小、成本适中，但是参数固定(模拟芯片的参数多数在出场时就已经定死)，不灵活，控制精度和复杂程度不如数字电源高和简便。

我们的手机充电器到工业电源里面就采用这样的电路。

数字开关电源——发展方向

同样采用开关拓扑，但是控制核心换成了MCU或DSP，通过软件算法（如PID）实现控制、管理和保护。

这种电路最大的有点在于可编程，我们可以根据我们的需求实时调整MCU内部的代码，以映射其使用不同的功能，而且还可以实现更为智能的人机交互，其精度也可以通过后期补偿以提高精度。

但是数字开关电源本身对信号干扰较为敏感，设计复杂，一些开发板都是四六层，成本高，一片芯片的价格也较高，还需要一定的软件编程能力。

数字线性电源

这种电路罕见，因为理论上我们可以通过数字芯片控制线性调整管，但因为线性电源本身效率低，加上数字控制也并没有碰撞出什么火花，所以很少被采纳。

核心概念

实际上，数字电源本身就是开关电源的一种，数字电源本身只不过区分了控制方式。

在这里我介绍几个重要的开关电源概念：

拓扑

前面我们用拓扑结构区分了开关电源和线性电源，那么什么是拓扑。

拓扑结构实际上指的是功率开关、电感、电容、二极管等元件的不同的连接方式，其中核心的三大拓扑结构是：Buck - 降压、Boost - 升压、Buck - Boost - 升降压。

在这些电路的基础上，衍生出了以下拓扑：反激、正激、半桥、全桥等，它们分别用于隔离、整流等复杂功能。

电感和电容

在开关电源中，电感和电容是两大法宝也是两大要害，它如何选值，如何给值都是一个巨大坑，需要一定的工程经验。

电感在电源中称之为“电流平滑器”，其特性为阻碍电流变化。

电容在电源中称之为“电压平滑器”，其特性为阻值电压变化。

一个阻碍电压，一个阻碍电流，分别能够实现滤波、平滑输出、降低纹波、能量维持，它们是惯性系统能够得以运行的核心功臣。

反馈

如果你学过模电的话你应当对反馈回路有一定的了解。

我们电源中的反馈和控制回路是实现整个开关电源能够动态响应、实现输出电压稳定的核心、不可或缺的关键所在。

我们在控制电路的时候分为开环和闭环两种模式，闭环及指的是利用反馈回路。

脉宽

脉宽即脉冲宽度，脉冲信号中高电平持续时间长度，常用于描述方波或其他脉冲的特性，在开关电源的控制中，多指MCU所输出的PWM波。

这其中还有很多重要的概念（波长、振幅、相位、谱宽、带宽、脉宽、频率、功率等等）

损耗

损耗是一个电源在设计过程中所不可忽视的点，在开关电源里，损耗主要体现为开关管上的开关损耗和导通损耗（开关管一般选择MOSFET），这个开关管在“开"和”管”的过程中会承受巨大的电压和电流，产生巨大的瞬时功率功耗，而且在导通后，其导通电阻上面也会产生损耗，以及电感、电容等磁性元件上的寄生电阻上的损耗等等。