一、锂离子电池介绍 锂离子电池作为一种二次电池，也就是我们日常所说的充电电池，其工作原理主要基于锂离子在正极与负极之间的往复运动。在充电环节，锂离子会从正极脱出，穿越电解质后嵌入负极，使得负极呈现富锂状态；而放电时，整个过程恰好逆向进行，锂离子又从负极脱嵌，回流至正极。 值得注意的是，锂离子电池有着较为固定的电压适用范围，通常处于 2.8V 至 4.2V 之间，其中典型工作电压为 3.7V。一旦电池的工作电压低于 2.8V 或者超出 4.2V，便极有可能对电池造成不可逆的损坏，进而影响其性能与使用寿命。 二、1C和0.1C的概念 在电池相关参数中，电池容量的度量单位是毫安时（mAh），它直观反映了电池能够储存电量的多少。而另一个关键指标 “C”，代表的则是电池充放电的倍率。举个例子来说，倘若有一块电池的容量标注为 2000mAh，那么当以 1C 的倍率进行放电操作时，这意味着此时的放电电流强度为 2000mA；同理，若按照 0.1C 的倍率放电，放电电流大小就会是 200mA。在充电过程中，这一规则同样适用，只不过电流方向相反，依据不同的充放电倍率设定，来精准调控流入或流出电池的电流大小，进而满足多样化的使用需求。三、锂离子电池的优缺点锂离子电池的主要优点： 锂离子电池相较于传统电池优势显著，堪称新一代电池领域的佼佼者。 首先，在电气性能方面表现卓越，它具备较高的电压输出，能为各类电子设备提供强劲动力，与此同时，能量密度颇为可观，相同体积或重量下，相较于其他电池可储存更多电能，续航能力更胜一筹。 从使用寿命考量，锂离子电池的循环寿命令人瞩目，常规条件下能够稳定循环 500 次之多，优质产品甚至可达 1000 次以上，这意味着长期频繁使用后，依然能维持稳定性能，极大降低了更换电池的频次与成本。 自放电特性同样出色，即便在室温环境下将其充满电后静置储存 1 个月，自放电率也仅在 2% 左右，电量损耗微乎其微，随时取用都电力满满，大大提高了电池的实用性与便捷性。 快速充电能力更是一大亮点，以 1C 的充电倍率进行充电时，短短时间内，电池容量便能迅速达到标称容量的 80%，极大缩短了充电等待时长，契合当下快节奏生活对电子设备即时使用的需求。 工作温度适应性广泛，一般能在 -25°C 至 45°C 的区间内稳定运行，随着技术不断革新，未来有望进一步突破至 -40°C 至 70°C，无论是严寒极地还是酷热沙漠，都能确保设备正常运转，拓宽了电池的应用场景。 尤为值得一提的是，锂离子电池完全没有像 Ni - Cd、Ni - Mh 电池那样的记忆效应，使用者在充电前无需刻意将剩余电量耗尽，随心充电即可，避免因不了解记忆效应而误操作导致电池寿命缩短的问题，使用起来更加省心。 最后，从环保角度审视，锂离子电池堪称绿色能源典范，相比较 Ni - Cd、Ni - Mh 电池，它不含镉、汞等有害重金属，在生产、使用直至废弃处理的全生命周期内，都极大减少了对环境的污染风险，为可持续发展助力。 锂离子电池的主要缺点： 锂离子电池虽具备诸多优势，但也并非十全十美，仍存在一些亟待攻克的短板。 其一，成本居高不下。从原材料的采购，到复杂精细的生产工艺，诸多环节都推高了其制造成本，使得终端售价相对昂贵，这在一定程度上限制了它在对价格敏感型市场领域的大规模普及。 其二，为确保安全、稳定运行，锂离子电池必须配备保护电路板。在充放电过程中，一旦发生过充现象，电池内部的化学物质会因过度反应而失衡，引发电池鼓包、性能衰退甚至爆炸等严重后果；而过放同样危险，会致使电池极板硫化、容量不可逆损失，因此，过充与过放保护功能至关重要，不可或缺。 其三，在放电性能方面，锂离子电池存在局限性，难以承受大电流放电工况。一般情况下，其放电电流被限制在 0.5C 以下，这是因为过大的电流会使电池内部急剧发热。过高的温度不仅会加速电池内部材料的老化、缩短电池寿命，还可能触发一系列热失控反应，进而威胁到设备及使用者的安全。 其四，安全性问题仍是悬在锂离子电池头上的 “达摩克利斯之剑”。由于电池内部的化学体系较为复杂，在某些极端条件下，如高温、挤压、短路等，电池容易发生爆炸、起火事故，给人们的生命财产安全带来潜在风险。这也促使科研人员持续投入精力，研发更先进的安全防护技术与电池体系，力求从根本上解决这一隐患。 四、锂电池和锂离子电池的区别 锂电池与锂离子电池实则分属于两个不同范畴，二者存在诸多显著区别，具体如下： 首先聚焦于电极材料层面，锂电池采用二氧化锰或者亚硫酰氯作为正极材料，负极则选用金属锂，这种独特的材料组合构成了其基本的电化学架构。与之不同的是，锂离子电池虽同样归类于锂电池大家族，但其正极是以含锂的化合物担纲，更为关键的是，在整个充放电进程中，电池内部不会出现金属锂单质，仅有锂离子穿梭于正负极之间，凭借这种巧妙的锂离子迁移机制来实现电能的存储与释放。 再从充放电特性加以区分，锂电池属于典型的一次电池，也就是我们常说的 “一次性用品”，它在实际使用场景下既可以保持连续不断地放电，也能按需间歇放电，然而一旦内部所储存的电能消耗殆尽，便彻底失去 “生命力”，无法像二次电池那样通过外接电源进行充电以恢复电量，使用便利性存在一定局限。相较而言，锂离子电池具备可充放电的二次电池特性，如同一个电能 “储蓄罐”，电量耗尽后只需接入合适的充电器，就能重新吸纳电能，恢复活力，从而可多次循环使用，大大拓展了其应用广度与深度。 五、锂离子电池充电模式 锂离子电池存在一种堪称理想的充电模式，也就是广为人知的 CC CV 模式，即恒流 - 恒压模式，通过下面这组图形能让我们更为直观地理解其充电过程。图中，灰色线条代表电池电压的变化走势，绿色线条用于呈现充电电流的动态情况，红色线条则直观反映电池容量的增减。 充电伊始，当电池电压处于较低水平时，系统开启恒流充电阶段，此时电池会以一个预先设定好的固定恒定电流源源不断地接收电能，快速提升电量。随着充电的持续推进，电池电压逐步攀升，直至达到 4.2V 这一关键阈值。鉴于电池电压绝不允许超过 4.2V，一旦触及该数值，充电模式便会立即由恒流切换至恒压模式。进入恒压阶段后，为了维持电池电压稳定在 4.2V，系统会智能调控，逐渐减小充电电流，以适配电池此时的充电需求，这个过程中充电电流持续衰减，直至近乎归零。当电池电压稳稳保持在 4.2V，同时充电电流也恰好降为 0 时，这便意味着电池已成功充满电，完成了一次高效且安全的充电过程。 锂离子电池CC CV模式 在锂离子电池的充电领域，确保电池的绝对安全是重中之重，因而实际应用中的充电模式设计得极为精细。倘若对初始状态不明的电池贸然直接采用恒流充电，将会对电池造成极大的损害风险，所以会依据电池不同的电压区间来实施差异化的充电策略。 首先是测试模式，当检测到电池电压低于 2V 时，为避免对电池造成冲击，系统会启动一种特殊的唤醒机制，以极其微小的电流缓缓注入电池，促使电池从深度 “休眠” 状态苏醒过来，为后续充电做好准备。 接着进入涓流充电阶段，也称作预充模式。此时电池电压处于 2V 至 3V 区间，考虑到电池此时的脆弱性，充电电流会被严格控制，仅采用恒流充电电流的 1/10 或者 1/20，以温和、缓慢的方式为电池预先补充少量电能，确保电池内部化学反应平稳启动，避免过激反应。 待电池电压上升至 3V 以上，电池状态趋于稳定，便开启恒流充电环节，以恒定的较大电流对电池实施快速充电，让电池电量得以高效提升。 而当电池电压攀升至 4.2V 这一关键节点时，为防止电池过压受损，系统会无缝切换至恒压充电模式，确保电池电压稳定维持在 4.2V，同时逐渐降低充电电流，保障电池安全且满充。 像德州仪器（TI）提出的充电方案更是精细入微，当电池电压达到 4.2V ，且充电电流处于较低水平但尚未归零，约为恒流充电电流的 1/10 时，便果断停止充电操作。停止充电后，由于电池内部的轻微自放电等因素，电池电压会自然回落，通常降低到 4.16V 或者 4.17V ，此时电池实则已处于满充状态，整个充电过程在保障电池安全的基础上实现了高效、精准的电量补充。 锂离子电池充电的三个阶段 六、为什么锂离子电池充电截止电压是4.2V 根据下图所示的电池循环寿命和充电截止电压的关系可知，在电池使用初期的循环周期内，若充电截止电压略高于正常水平，虽能在单个周期内获得更高的电量输出，但这种优势仅能维持较短时间。而当电池的充电截止电压比推荐的最高值 4.2V 还要高出 50mV 甚至 100mV 时，由于每个循环周期都存在轻微的过度充电情况，会致使电池老化速度显著加快。一言以蔽之，当电池的充电截止电压超过 4.2V 时，超出的电压越高，电池的循环寿命就越短，并且电池容量下降的速度也会越快。锂离子电池循环寿命和电池充电截止电压的关系 七、锂离子电池放电曲线通过观察锂离子电池在不同放电电流下的放电曲线能够清晰发现：随着放电电流逐步增大，电池容量的衰减速度明显加快，这就导致最终能够释放出的容量大幅降低，使得电池的标称容量难以得到充分利用。进一步探究原因可知，当电池容量处于较低水平时，其内阻会出现较大幅度的增加，而倘若此时采用较大的电流进行放电操作，电池内阻的增长速度将会进一步加剧，形成恶性循环，严重影响电池性能。锂离子电池不同放电电流下的放电曲线 仔细研究不同温度下锂离子电池的放电曲线，便能洞察其中规律：环境温度越低，电池的容量衰减速率就越快，在放电过程中能够释放的电量越少，放电的充分程度也就越低。这背后的原因在于，当电池所处的温度降至 0 度以下时，电池内部的活性成分活跃度急剧减弱，如同进入 “休眠” 状态，使得电池内阻相应增大，阻碍了电流的顺畅传输，进而影响电池的放电性能。 然而，温度过高同样会给电池带来危害。当外界环境温度超出适宜范围，过高的热量会冲击电池内部的化学结构，加速材料老化、引发副反应，甚至可能导致电池鼓包、漏液等严重损坏情况，降低电池的使用寿命与安全性。因此，为保障电池的性能与寿命，维持一个适宜的温度环境至关重要。 锂离子电池不同温度下的放电曲线 八、锂离子电池循环次数在实际中，每当累积的放电容量等于设计容量时，则记为循环一次。锂离子电池循环寿命依据国标要求，锂离子电池循环寿命的测试有着明确且严谨的条件设定：测试需在稳定的 25 度室温环境下展开，首先以 1C 的充电倍率持续充电 150 分钟，随即切换至恒流 1C 的放电电流，直至电池电压降至 2.75V 时截止，如此完整的充放电过程记作一次循环。特别要注意的是，当某次放电过程所用时间小于 36 分钟时，便意味着此次试验到达终点。同时，按照这种深充深放的特定测试模式，锂离子电池的循环次数务必超过 300 次，并且在完成 300 次循环之后，电池容量依然要维持在初始容量的 60% 以上，以此确保锂离子电池具备足够的耐用性与稳定性，满足市场应用需求。 九、锂离子电池工作电压范围锂离子电池的工作电压有一个范围，不同电芯厂家制造会有所不同，但是差别不大。 总结：希望通过本文的介绍，你已经对锂离子电池有了全面深入的了解。锂离子电池在现代科技生活中占据着无可替代的重要地位。尽管它还存在成本较高、安全性有待提升等问题，但随着技术的持续革新，相信在未来，锂离子电池将在能量密度、充放电速度、循环寿命等关键性能指标上取得更大突破，从而为便携式电子设备、电动汽车、储能系统等诸多领域带来更强劲的动力支持与更持久的续航保障，进一步推动全球科技与生活方式的深刻变革。
在高压PCB设计中，开关电源PCB设计中要注意电气间隙和爬电距离，距离不够会引起漏电。 通用标准（不同行业有区别，如灯具，电动车等），需要经过认证的产品：按照标准查表设计 GB4943.1对应EC60950.1(IEC62368-1)，GB/T16935.1-2008对应IEC60664.1 IPC-2221 电气间隙和爬电距离在PCB的设计中，影响电气性能，安全和可靠性 电气间隙和爬电距离与电压，绝缘材料（介电常数，耐电弧性能），温湿度，污染，导电有关。 电气间隙 爬电地址 根据IEC60950标准定义 定义 通过空气测量两个导电对象之间或导电部件和设备边界表面之间的最短路径空气间隙 通过沿着绝缘材料表面测量两个导电物体之间的最短路径爬电距离 不足的解决办法 开槽1mm问题 电气间隙不够，开槽不一定能解决电气间隙问题 大于1mm的开槽能增加表面爬电距离不能增加电气间隙 电气间隙不足解决方案 1通过绝缘材料并且在可能的情况下通过双侧搭建实现间隔； 2高低电压隔离，顶部放置高电压，底部放置低电压。 爬电距离稀疏的解决方案 a图表示多层表面，电爬距离是在节点之间PCB表面上测量； b图表示V形槽可以增加节点之间的表面距离，增加的长度仅沿沿岸测量其减少到1mm宽度的点； c图表示多层，进一步可以增加表面距离，但宽度必须为1mm或更大，加工成本更贵； d图表示在PCB上直接开，槽大于1mm的槽们可以藏家表面距离，简单实用。 电子钯及PCB电气隔离距离参考 变压器内部的电气隔离距离参考 变压器内部的电气隔离距离是指变压器挡墙的宽度的总和，如果变压器挡墙的宽度为3mm，那么变压器的电气隔离距离等于6mm（变压器挡墙的宽度相同）。如果变压器没有墙，那么变压器的隔离距离就等于所用胶纸的厚度。另外，对于AC-DC电源，变压器初、间结构应用三层胶纸隔离，DC-DC电源，只可用二层胶纸隔离。以下数值未包括裕量： 注：变压器的引脚如果没有套上绝缘套管，那么在引脚处的隔离距离也可能绕过胶纸加护墙的厚度，所以变压器的引脚需要套上绝缘套管且套管要穿越挡墙。 保险丝前面L、N线之间的电气间隙=2.0mm。 保险丝后面L、N线之间的电气间隙=1.5mm。 220V电气间隙和爬升电距离结论 电气间隙>2mm 爬电距离>2.5mm 如果遇到无法满足爬电距离的位置，开>1mm槽满足设计需求，防止漏电。
MLCC——多层片式陶瓷电容器，简称贴片电容，会引起噪声啸叫问题…… 声音源于物体振动，振动频率为20Hz~20 kHz的声波能被人耳识别。 MLCC发出啸叫声音，即是说，MLCC在电压作用下发生幅度较大的振动（微观的较大，小于1nm）。 MLCC为什么会振动？ 我们要先了解一种自然现象——电致伸缩。 在外电场作用下，所有的物质都会产生伸缩形变——电致伸缩。 对于某些高介电常数的铁电材料，电致伸缩效应剧烈，称为——压电效应。 压电效应包括正压电效应和逆压电效应 正压电效应 对具有压电特性的介质材料施加机械压力，介质晶体会发生结构重组排布，材料表面会感应出电荷，产生电位差。 逆压电效应 对具有压电特性的介质材料施加电压，则产生机械应力，发生形变。 压电效应的学术定义： “在没有对称中心的晶体上施加压力、张力和切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面将出现正、负电荷，这一现象称为正压电效应。反之在晶体上施加电场而引起极化，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。” 陶瓷介质是MLCC主要组成部分，电压作用下，电致伸缩不可避免。如电致伸缩强烈表现为压电效应，则会产生振动。 所有MLCC都会啸叫吗？ MLCC设计制造陶瓷介质材料主要有顺电介质和铁电介质两大类。 顺电介质 又称I类介质，主要有SrZrO3、MgTiO3等。 顺电介质电致伸缩形变很小，在工作电压下，不足以产生噪声。 所以，顺电介质(I类介质)材料做的MLCC，如NPO（COG）等温度稳定性产品，就不会产生噪声啸叫。 铁电介质 又称II类介质，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。 铁电介质具有强烈的电致伸缩特性—压电效应。 因此，铁电介质（II类介质）做的MLCC，如X7R/X5R特性产品，在较大的交流电场强度作用下会产生明显的噪声啸叫。 如上所示，X7R-MLCC两端加上大幅度变化电压后，BaTiO3陶瓷产生逆压电效应，MLCC形变振动并传递到PCB板上发生共振。 当电压信号的频率在20Hz~20kHz人耳听觉范围内，则能听到电容在啸叫。 哪些场合MLCC啸叫明显? 较大的交变电压，频率在20Hz到20kHz之间，使用X7R/X5R类中高容量MLCC，会产生明显的啸叫，如开关电源、高频电源等场合。 啸叫的危害 许多移动电子设备靠近人耳，如：笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，如电子电路中有可听噪声会影响使用感受。 剧烈的啸叫除了令人生厌外，还可能存在着可靠性设计不足的隐患。 剧烈的啸叫源于剧烈的振动，振动幅度由压电效应程度决定。 压电效应与电场强度成正比，外加电压不变，介质越薄，压电效应越强，啸叫声音越大。 额定电压由MLCC的材质和介质厚度决定的，剧烈的啸叫表示对当前工作电压所选用的MLCC介质厚度过薄，应当考虑选用介质更厚，额定电压更高的MLCC。 对铁电陶瓷，在交变电场作用下，还存在铁电畴交替转向内摩擦方面的问题，交变场强大，内摩擦严重，失效机率上升。这可在啸叫声音的大小上反映出来的。 解决啸叫的对策 降低MLCC电容器产生的可听噪声的方法有很多，所有解决方案都会增加成本。 1、改变电容器类型是最直接的方法，用顺电陶瓷电容、钽电容和薄膜电容等不具有压电效应的电容器替代。但需要考虑体积空间、可靠性和成本等问题。 2、调整电路，将加在MLCC大的交变电压消除或者将其频率移出人耳听感频段 (人耳最敏感音频为1KHz~3KHz)。 3、注意PCB布局、PCB板规格，帮助降低啸叫水平。 4、选用无噪声或低噪声的MLCC。 无噪/低噪声MLCC的设计 目前针对MLCC的啸叫现象，设计解决措施有三种。 （1）加厚底部保护层 由于保护层厚度部分是没有内电极的，这部分的BaTiO3陶瓷不会发生形变，当两端的焊锡高度不超过底保护层厚度，这时产生的形变对PCB影响要小，有效地降低噪声。 （2）附加金属支架结构 结构图如下，它采用金属支架把MLCC芯片架空。 MLCC与PCB板隔空，把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲，减少对PCB板的作用，有效的降低噪声。 （3）使用压电效应弱的介质材料设计制造 通过对钛酸钡（BaTiO3）进一步掺杂牺牲一定的介电常数和温度特性，得到压电效应大大减弱的介质材料，用其制造的MLCC可有效的降低噪声。 各大MLCC厂家，都有相应低噪材质的MLCC产品系列。
许多运动控制应用都采用永磁直流电机。因为与交流电机相比，直流电机的控制系统更容易实现。因此，在需要控制速度、扭矩或位置时，通常都采用直流电机。 常用的直流电机有两种：有刷电机和无刷电机（或称BLDC电机）。顾名思义，有刷直流电机带有电刷，电刷可以使电机换向并旋转；而无刷电机则用电子控制取代了机械换向功能。 很多应用都是既可以使用有刷直流电机，也可以使用无刷直流电机。两种类型的电机基于相同的线圈和永磁体吸引与排斥原理，二者都具有各自的优缺点，可以根据应用需求进行具体选择。 直流电机使用绕线线圈来产生磁场。在有刷电机中，线圈可以自由旋转从而驱动轴，它们被称为“转子“。通常，线圈缠绕在铁芯上，当然也有“无芯“有刷电机，其绕组是自支撑的。 电机的固定部分称为“定子“。用于提供固定磁场的永磁体通常位于定子的内表面和转子的外部。 为了产生使转子旋转的扭矩，转子的磁场需要持续旋转，以使其磁场吸引并排斥定子的固定磁场。通常采用滑动式电子开关来使磁场旋转。该开关由换向器和固定电刷组成，换向器通常是安装在转子上的分片触点，而固定电刷则安装在定子上 随着转子的转动，换向器不断地接通和断开不同的转子绕组，导致转子线圈不断被定子的固定磁体吸引和排斥，从而使转子旋转。 有刷电机的电刷和换向器之间存在机械摩擦，而且由于是电触点，通常无法润滑。因此电刷和换向器在电机的整个寿命周期内都存在机械磨损，并最终将导致电机无法工作。不过许多有刷电机（尤其是大型有刷电机）都有可更换的电刷，其电刷通常由碳制成，在磨损后也可保持良好的接触，这些电机都需要定期维护。但即使有可更换的电刷，换向器最终也会磨损到必须更换电机的程度。 要驱动有刷电机，需要在电刷两端施加直流电压，使电流流经转子绕组从而旋转电机。 如果一个有刷电机在应用中只需要向一个方向旋转，也无需控制速度或扭矩，则完全不需要驱动电子设备。在这类应用中，只需打开和关闭直流电压即可使电机运行或停止。这在电动玩具等低成本应用中很常见。如果需要反向旋转，则可以通过双极开关来实现。 如果需要控制速度、扭矩和方向，则采用由电子开关（晶体管、IGBT或MOSFET）组成的“ H桥”来驱动电机向任一方向旋转。施加到电机上的电压可以是任一极性，它使电机沿不同方向旋转。而通过调制开关脉冲的宽度可以控制电机的速度或扭矩。 无刷直流电机 无刷直流电机与有刷电机的磁吸和排斥原理相同，但结构略有不同。与有刷电机的机械换向器和电刷不同，无刷电机通过电子换向器实现定子的磁场旋转，而这需要使用主动控制电子设备。 I在无刷电机中，转子上附有永磁体，定子上则装有绕组。转子可以放在内侧（如上图所示），也可以放在绕组外侧（有时称为“外转式”电机）。 无刷电机中用到的绕组数称为相数，它可以有不同的相数，但最常见的是三相无刷电机。另外，如小型冷却风扇等可能就只有一相或两相。 无刷电机的三个绕组通常以“星形”或“三角形”方式连接。无论哪种连接，都有三根线连接到电机，而且其驱动技术和波形都是相同的。 三相电机可以构建不同的磁配置，称为磁极。最简单的三相电机有两个磁极：转子只有一对磁极，一个N极，一个S极。当然也可以有更多的磁极，这需要在转子中配置更多的磁性部分，并在定子中增加更多绕组。磁极越多，性能越高，但极数少可以实现更高的速度。 要驱动三相无刷电机，三相绕组每相需要在根据转子位置状态，运行在高电位或低电位上。为此，通常采用三个“半桥”驱动电路来实现驱动，每个驱动电路都由两个开关组成。根据所需的电压和电流，开关可以是双极型晶体管、IGBT或MOSFET。 三相无刷电机可以采用的驱动技术有很多，其中最简单的被称为梯形波驱动、方波驱动或120度换向控制。梯形换向有点类似于直流有刷电机中采用的换向方法：在任何给定时间，三相中都有一相接地、一相断开、另一相连至电源电压。如果需要控制速度或扭矩，则可以脉宽调制连接到电源电压的相位。由于相位在每个换向点突然切换，而转子的旋转是恒定的，因此扭矩会随着电机的旋转产生一些变化，这称为扭矩波动。 为了改善性能，也可以采用其他换向方法。如正弦或180度换向法可以始终驱动所有三个电机相位的电流。控制器控制驱动，使得三相无刷电机每相产生正弦电流，且每相之间的相移为120度。这种驱动技术可以最大程度地减小扭矩波动以及噪音和振动，通常用于高性能或高效率的驱动器。 要适当地旋转磁场，控制电子设备需要知道转子上的磁体相对于定子的物理位置。通常，这个位置信息通过安装在定子上的霍尔传感器获得。当磁性转子旋转时，霍尔传感器会拾取转子的磁场。驱动电子设备利用该信息，使电流按顺序流过定子绕组以使转子旋转。 采用三个霍尔传感器，通过简单的组合逻辑即可实现梯形换向，无需复杂的控制电子设备。而其他换向方法（例如正弦换向）则需要更复杂的控制电子设备，而且通常需要微控制器。 除了使用霍尔传感器提供位置反馈以外，还有很多方法可以在没有传感器的情况下确定转子位置。最简单的方法是在未驱动的相位上监测反电动势，以感应相对于定子的磁场。还有一种更复杂的控制算法，称为磁场定向控制（FOC），它基于转子电流和其他参数来计算位置。FOC通常需要功能强大的处理器来快速执行许多计算，因此这种方法比简单的梯形控制法要昂贵很多。 有刷电机和无刷电机的优缺点 下表总结了两种电机类型的主要优缺点。根据应用需求，您可能更愿意选择无刷电机。 使用寿命 如前所述，有刷电机的缺点之一是电刷和换向器存在机械磨损。碳刷尤其是易耗品，在很多电机的维护计划中，都规定碳刷要定期更换。换向器的软铜也会被电刷慢慢磨损，并最终导致电机无法工作。而无刷电机没有运动触点，因此不存在这种磨损。 速度和加速度 有刷电机的转速会受到电刷、换向器以及转子质量的限制。在极高的速度下，电刷与换向器的接触会变得不稳定，并且电刷电弧会增大。大多数有刷电机在转子中还使用了叠片铁芯，这使它们具有较大的转动惯量，也限制了电机的加速和减速速率。在转子上采用高性能稀土磁体可以将转动惯量降至最低。当然，这会增加成本。 电气噪声 电刷和换向器形成了一种电气开关。当电机转动时，开关打开或闭合，大量电流流过电感转子绕组，并在触点处产生电弧。这些电弧会产生大量电气噪声，会耦合到敏感电路中。在电刷上增加电容或RC缓冲器可以一定程度上减轻电弧，但是换向器的瞬时切换仍然会产生一些电气噪声。 声学噪声 有刷电机是“硬切换”的，也就是说，电流是突然从一个绕组移动到另一个绕组。随着绕组的接通和断开，产生的扭矩随转子的旋转而变化，导致扭矩波动。而无刷电机可以控制绕组电流逐渐从一个绕组过渡到另一个绕组，这降低了扭矩波动。扭矩波动是能量在转子上的机械脉动，它会引起振动和机械噪声，尤其是在转子转速较低时更严重。 成本 有刷电机技术非常成熟，制造成本也很低。无刷电机因为需要更复杂的电子设备，所以总成本高于有刷电机；但因为没有电刷和换向器，因此比有刷电机更容易制造。无刷电机现在越来越普及，特别是在汽车电机等大批量应用中。另外，电子设备（如微控制器）成本持续下降也使无刷电机更具吸引力。 总结 由于成本不断下降而且性能更佳，无刷电机越来越受欢迎。但对有些应用来说，有刷电机仍然是最佳选择。 从无刷电机在汽车中的应用我们可以知道，截至2020年，大多数汽车行驶时运行的电机（例如泵和风扇）都已从有刷电机转为无刷电机，以提高其可靠性。现场故障率的降低和维护要求的降低，完全弥补了无刷电机及其驱动设备所增加的成本。 另一方面，那些不常操作的电机（例如移动电动座椅和电动窗的电机）仍然主要采用有刷电机。因为在汽车的整个寿命周期内，这些电机的总运行时间非常短，不大可能发生故障。 随着无刷电机及其相关电子设备的成本不断降低，无刷电机逐渐渗透传统有刷电机占据主导的应用。汽车行业的另一个例子是，高端车型中的座椅调节电机已经换成了无刷电机，因为它们产生的噪音更小。
电器应用中常用的隔离器件有光耦、继电器、变压器。❤光耦属于流控型元件，以光为媒介传输信号：电→光→电，输入端是发光二极管，输出端是光敏半导体。光耦的核心应用是隔离作用，常用于输入与输出之间无共地的系统。所以输入与输出之间的耐压可达上千伏特。很多通讯模块也是光耦隔离的，更容易实现各个系统之间的连接，完全不用考虑是否共地。如图1为光耦控制继电器（小功率），为使光耦能有效驱动继电器，那么输出端的阻抗应较小，所以输入端的电流应较大，具体原因见下面分析。图1：光耦控制继电器 如图2为开关信号经过光耦隔离输入至单片机，图中24V与3.3V不是共地的，且在控制系统中数字电压3.3V驱动能力有限，所以通常用开关电源的24V或12V作为开关信号的电源。图2：输入输出隔离 以上两种普通的应用看似简单，但要正确使用光耦，就必须掌握光耦的输入和输出到底是什么关系？❤光耦分为线性光耦和非线性光耦，实际常规应用中线性光耦较多，因为线性光耦可以替代非线性光耦，现在以线性光耦（PS2561A）做以下实验，换种角度了解TA的魅力。如图3所示，调节光耦输入电流IF，测量输出的CE阻抗。图3：输入电流IF与输出CE阻抗关系实验 左边为输入电流IF，右边为输出CE阻抗 如图4所示，光耦输入与输出的限流电阻都是1k，且输入电压都相同，于是调节稳压源的电压值，可以得到光耦输入电流IF与输出电流IC的关系。图4：输入电流IF与输出电流IC的关系实验 左边为输入电流IF，右边为输出电流IC ❤如图5得到的实验数据，输出电流IC与输入电流IF曲线趋势基本一致，CE阻抗小于1k左右呈线性变化。且最低阻抗大于100Ω。 图5：实验数据所以使用线性光耦传递开关信号时，需要合理匹配输入电阻的大小，图1中输入电阻360Ω，光耦输入正向压降1V左右，所输入电流IC为(5-1)/360≈11mA，光耦输出CE阻抗200Ω多点，而继电器HFD2线圈阻抗2880Ω，此时可正常驱动继电器，若IC电流变小，则CE阻抗变大后会导致不能正常驱动继电器。❤线性光耦主要用于模拟信号的传递，输出相当于一个可变电阻。在开关电源中很常见，利用光藕做反馈，把高压和低压隔离。常用的有PC817、PS2561、PS2801。如前面例子也常用于开关信号。图7为图6中开关电源内部的线性光耦，开关电源的输出电压经过线性光耦隔离并反馈到控制芯片达到实时调节输出电压的目的。图6：光耦在开关电源中的应用 图7：开关电源内部的光耦 ❤非线性光耦主要用于开关信号（或数字信号）的传递，常用的4N系列的有4N25、4N26以及TIL117；另外还有高速光耦，如6N136、6N137、PS9714、PS9715等。多用于通讯隔离以及PWM波控制（可有效降低电磁干扰），判断是不是高速光耦，看数据手册是否注明 High speed（1Mbps、10Mbps）。❤要点①光耦的核心应用是隔离作用；②相同电压下线性光耦输入电阻与输出电阻相同时，输出电流IC基本与输入电流IF一致；即使输入与输出电压不同，也可以匹配输出与输入的电阻来实现；③用于开关信号线性光耦和非线性光耦都可以，反过来线性光耦电路中不能用非线性光耦代替。④非线性光耦要比线性光耦响应速度快，类似于比较器比运算放大器响应速度快一样。最后欢迎各位硬件组长、硬件经理、硬件总监购买我们整理的优质硬件设计资料：7G 保姆级高质量硬件设计资料
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