第 1 章 10：電池與電源

電源是所有電子設備的「心臟」。本章介紹各種供電方式與電源管理元件。

一、電源供應的種類

概念架構

能量源
├── AC 市電（110V / 220V）── AC/DC 轉換 ──┐
├── 電池（化學儲能）──────────────────────┤
├── 太陽能 / 機械（能量採集）─ 整流調節 ──┤
└── USB / 外部 DC 適配器 ────────────────┤
                                            ↓
                              [DC/DC 轉換 / LDO 穩壓]
                                            ↓
                                ┌──────────┴──────────┐
                              5V        3.3V        1.8V
                          (USB,IO)  (MCU,RF)    (核心邏輯)

二、電池基礎

電池參數

1. 電壓

標稱電壓（Nominal voltage）：典型放電中段值
開路電壓（OCV）：滿電時無負載電壓
截止電壓（Cut-off）：放電結束電壓

2. 容量（Capacity）

單位：mAh（毫安時）或 Ah

1000 mAh 表示能以 1000 mA 放電 1 小時（理論）

3. 能量

$$E = C \times V$$ 單位：Wh（瓦時）

4. C-rate（充放電率）

1C = 1 倍容量電流（1000 mAh 電池 = 1A）
0.5C = 0.5 倍容量
2C = 2 倍容量（快充）

5. 循環壽命

充放電多少次後容量降到 80%。

6. 自放電率

無使用時每月失去多少容量。

7. 內阻

影響：可輸出電流、電壓塌陷、發熱。

三、各種電池類型

1. 一次電池（Primary, 不可充電）

A. 鹼性電池（Alkaline）

1.5V，常見 AA/AAA
自放電低（10年）
容量大（AA 約 2500 mAh）

B. 碳鋅電池（Carbon-Zinc）

1.5V，便宜、容量小
已被鹼性取代

C. 鋰錳電池（Li-MnO₂, CR2032 等）

3V，高能量密度
鈕扣電池常見
用於：RTC 備援、遙控器

D. 鋰亞硫醯氯（Li-SOCl₂）

3.6V，超長壽命（10–20 年）
用於：智慧電表、IoT 感測器

2. 二次電池（Secondary, 可充電）

A. 鎳氫（NiMH）

1.2V，容量大、安全
但自放電較高（已改善版本如 Eneloop）
用於：相機、電動工具

B. 鋰離子（Li-ion）

標稱 3.7V，滿電 4.2V，截止 3.0V
高能量密度，現代主流
易燃、需保護電路（BMS）
子類：
LCO（鋰鈷氧）：消費電子
LMO（鋰錳氧）：耐熱
NMC（鎳鈷錳）：電動車
LFP（磷酸鋰鐵）：安全、長壽，3.2V
NCA（鎳鈷鋁）：特斯拉早期用

C. 鋰聚合物（LiPo）

與 Li-ion 化學成分相同
電解液為聚合物（更安全、可塑形）
用於：手機、無人機、薄型裝置

D. 鉛酸（Lead-Acid）

2V/cell，6 cell 串聯 = 12V 汽車電瓶
便宜、大電流、笨重
用於：UPS、汽車啟動、太陽能儲能

E. 固態電池（Solid State）

新興技術，固態電解質
更安全、能量密度更高
量產仍在進行中

比較表

類型	電壓	能量密度（Wh/kg）	壽命（次）	安全性
鉛酸	2.0	30–50	200–300	高
NiMH	1.2	60–120	500–1000	高
Li-ion (LCO)	3.7	150–200	500–1000	中
Li-ion (NMC)	3.7	200–250	1000–2000	中
LFP	3.2	90–160	2000–6000	高
LiPo	3.7	150–250	300–500	中-低

四、電池保護與管理（BMS）

Li-ion 電池的危險

過充：起火、爆炸
過放：永久損壞
短路：大電流、爆炸
高/低溫：性能下降、危險

保護電路必備功能

過充保護（V > 4.25V 切斷充電）
過放保護（V < 2.5V 切斷放電）
過電流保護（短路保護）
溫度保護（NTC 監測）
電量計（庫侖計，估算剩餘容量）
平衡（多 cell 串聯時）

經典保護 IC

單顆 Li-ion：DW01（保護） + 雙 MOSFET（如 8205A）
多顆：BQ7693x 系列
電量計：MAX17048、BQ27441

充電 IC

TP4056：低成本單顆 Li-ion 充電（1A）
BQ24074：含 power path 管理
MP2667：直接從 USB 充電

五、AC/DC 電源（電源適配器）

工作流程

AC 110/220V
     ↓
[輸入濾波 + EMI]
     ↓
[整流]
     ↓
[PFC 功率因數校正]（部分產品）
     ↓
[高壓 DC bus, ~ 400V]
     ↓
[開關電晶體 + 變壓器]（隔離、降壓）
     ↓
[次級整流 + 濾波]
     ↓
[反饋控制]
     ↓
DC 輸出（5V / 12V / 19V 等）

一般 USB 充電器

5V/2A：典型 Flyback 拓撲，10W 級。

筆電變壓器

19V/3.42A = 65W：Flyback 或半橋 LLC。

電視變壓器

12V/24V/5A：LLC 或 Flyback。

六、線性穩壓器（LDO, Linear Regulator）

工作原理

「串聯一個可變電阻」維持輸出電壓穩定：

Vin ────[Pass MOSFET]──── Vout
            ↑
         反饋網路 ── 比較器 ── 基準電壓

特性

優點：簡單、便宜、低雜訊、無 EMI
缺點：低效率（V_in - V_out 全變熱）

效率 ≈ V_out / V_in

LDO（Low Dropout）

特殊低壓差線性穩壓器，dropout 可小至 100 mV。適合：電池應用（V_in 接近 V_out 時還能工作）。

經典 LDO

LM7805 / 7812：經典 1A，dropout 較大（2V）
AMS1117：1A LDO，dropout 1.3V，便宜
LM1117：1A LDO，多種固定電壓
LP5907：低雜訊 LDO，250 mA
TPS7A47：超低雜訊 LDO（射頻、ADC 用）

選 LDO 的關鍵

輸出電壓與電流
Dropout voltage
靜態電流（I_q）：影響待機功耗
PSRR（電源拒絕比）：濾除輸入雜訊能力
雜訊：精密類比電路重要
熱阻：能持續輸出多大電流

散熱計算

$$P_{LDO} = (V_{in} - V_{out}) \times I_{out}$$

範例：5V → 3.3V，1A：P = 1.7 W → 需散熱片或大封裝。

七、開關穩壓器（DC/DC Converter）

為什麼用開關電源

效率高（80–98%），不像 LDO 浪費能量為熱。

三大基本拓撲

1. Buck（降壓）

V_out < V_in。最常用的拓撲。

Vin ──[SW]──┬──[L]──┬── Vout
            │       │
           [D]     [C]
            │       │
           GND     GND

V_out = D × V_in （D 是 duty cycle）

2. Boost（升壓）

V_out > V_in。

Vin ──[L]──┬──[D]──┬── Vout
           │        │
          [SW]     [C]
           │        │
          GND      GND

V_out = V_in / (1 - D)

3. Buck-Boost（升降壓）

V_out 可大或小於 V_in。變種：Cuk, SEPIC, Zeta 等。

隔離拓撲

Flyback：< 100W，常見充電器
Forward：100–500W
Push-Pull, Half-Bridge, Full-Bridge, LLC：見變壓器章節

經典 IC

MP1584：3A buck，簡單可靠
LM2596：3A buck，學習用很流行
TPS54331：高效率 buck
MT3608：boost
LT8410：1.5A boost
MP3429：升降壓
TPS61021：超低輸入電壓 boost（電池用）

選擇要點

輸入電壓範圍
輸出電壓 / 電流
效率
開關頻率：高頻 → 小尺寸但 EMI 嚴重
輸出紋波 / 雜訊
同步整流 vs 非同步 - 同步：用 MOSFET 替代二極體，效率高，需更貴 IC - 非同步：用蕭基二極體，便宜，效率較低

八、PMIC（電源管理 IC）

複雜系統（手機、平板、SoC 板）使用整合 PMIC： - 多通道輸出（5V, 3.3V, 1.8V, 1.2V, 0.9V 等） - 充電管理 - 電量計 - 待機 / 省電模式 - I²C/SPI 控制

九、電源拓撲選擇指南

場景	推薦
5V → 3.3V，100 mA	LDO（簡單）
5V → 3.3V，1A	Buck（效率）
12V → 3.3V	Buck（壓差大）
1.5V → 5V（電池升壓）	Boost
電池 3.7V → 3.3V	LDO（壓差小）或 Buck
電池 3.7V → 5V	Boost
AC 110V → 5V	Flyback（隔離）
12V 汽車 → 12V 穩壓	Buck-Boost（電壓會變）
高雜訊敏感（ADC、RF）	LDO 或 buck + LDO 二級

十、能量採集（Energy Harvesting）

新興領域：從環境取能驅動 IoT 裝置。

來源

太陽能：cm² 級小面板，幾 µW–mW
熱電（TEG）：溫差發電
壓電：振動、按壓
RF：環境射頻能量
微生物燃料電池

關鍵 IC

BQ25570：超低功耗能量採集 PMIC
LTC3588：壓電能量採集
AEM10941：太陽能 + Boost

十一、待機與低功耗設計

功耗分類

作用模式（Active）：mA 級
休眠（Sleep）：µA 級
深度休眠（Deep Sleep）：nA 級
斷電（Power-off）：理論 0，但有漏電

低功耗策略

時鐘樹門控：暫停未用模組
電壓島：不同區域不同電壓
動態電壓頻率調整（DVFS）
負載開關：關閉外部模組
MCU 休眠模式：保留 RAM、定時喚醒

十二、常見錯誤

1. LDO 散熱不足

靜態壓差 × 電流大，快速燒毀。

2. Buck 電感選錯

飽和電流不夠 → 紋波激增 → 輸出失敗。

3. 輸出電容 ESR 不對

部分 LDO 要求 ESR 範圍，太低反而不穩定。

4. 輸入端沒有去耦

開關電源 di/dt 大，輸入端必須有大電容 + MLCC。

5. PCB layout 不當

開關迴路（hot loop）面積大 → EMI
反饋線靠近開關節點 → 雜訊耦合
散熱不足

6. 鋰電池沒保護電路

過放或短路會嚴重事故。

7. 多輸出之間沒順序

某些 SoC 要求 1.0V 核心電壓必須早於 1.8V IO，否則閂鎖（latch-up）。

十三、本章總結

✅ 您應該掌握：

[x] 各種電池類型與選用
[x] Li-ion 電池保護的重要性
[x] LDO 的工作原理、優缺點、選用
[x] 三大開關電源拓撲（Buck/Boost/Buck-Boost）
[x] 隔離拓撲（Flyback/Forward 等）
[x] LDO vs 開關電源的選擇
[x] PMIC 的概念
[x] 低功耗設計策略

自我檢測

1000 mAh / 3.7V Li-ion 電池有多少 Wh 能量？
為什麼 LDO 在 V_in 比 V_out 高很多時效率差？
5V → 1.8V，需要 500 mA，用 LDO 會浪費多少功率？
Boost 升壓電源中，輸出電壓如何由 duty cycle 決定？
Li-ion 充電的 CC/CV 階段是什麼？

解答

E = 1.0 × 3.7 = 3.7 Wh
效率 ≈ V_out/V_in。如 12V→3.3V，效率僅 27.5%，差值都變熱
P = (5-1.8) × 0.5 = 1.6 W 浪費為熱
V_out = V_in / (1 - D)。D=0.5 時 V_out = 2 × V_in
CC（恆流充電）→ 達 4.2V 後切換到 CV（恆壓），電流逐漸下降到截止

11-基本電路定律.md — 系統化的電路分析方法。