电源管理智能化之路

发布时间:2022-6-16 10:34    发布者:eechina
关键词: 电源管理 , 智能化
来源:贸泽电子
作者:Doctor M

电源管理技术作为电气化时代各行各业发展必不可少的一项技术,是提升终端设备能效的主要途径。从系统层面看,电源管理系统让设备实现了稳定性、低功耗、高性能,在节能减排的大趋势下,这项优势会愈发突出;从器件层面看,电源管理芯片和模拟芯片等器件负责系统中电能的转换、配电、检测和其他电源管理,性能的优劣将通过电源管理系统真实地反馈在设备性能上。

当前,在半导体、通信、传感等技术的带动下,各行各业都在经历智能化的蜕变,设备的结构、技术、系统变得十分多元化,电能的使用场景更为复杂,智能化也成为衡量电源管理系统的一项核心指标。

今天,我们就来探讨一下电源管理的智能化发展趋势,并为大家推荐贸泽电子上适用于智能化电源管理系统的新品元件。

电源管理的智能化发展

如上所述,智能化理念已经深入到社会生产生活的方方面面,因此电源管理系统的智能化是大势使然。

从表现形式上看,电源管理系统的智能化就是配合控制器、处理器等核心元件做好系统电能的分配。随着系统功能越来越复杂,各环节的功耗控制需要精准地去优化。同时,电源管理系统需要和核心元件进行通信,对系统的供电需求变化做出实时的检测分析和响应,从而大大提高系统效率。

那么,电源管理系统是如何实现智能化的呢?这就需要从电源管理系统的主要功能和组成来进行分析。

#01 电源管理系统的主要功能

电源管理系统主要实现以下四种功能,分别是电池系统监测、休眠电源管理、静态电源管理和动态电源管理。

· 电池系统监测

电池系统监测在BMS电池管理系统中是一项重要功能,面向的领域主要是新能源汽车和储能系统等。这部分的智能化水平主要体现在对单电池和整个电池系统的主要参数的实时采集和监控,以及通过联网功能在系统界面动态呈现。

· 休眠电源管理

休眠电源管理是系统实现低功耗时所需的一项创新技术。这里说的“休眠”是一个笼统的描述,包括睡眠、休眠、待机、混合睡眠等多种状态,这个时候系统仍对核心器件进行供电,只是电流相对较小,只维持最小系统工作的状态。休眠电源管理的智能化要求电源管理系统对所有用电设备具有精细化的监控和管理,能够和系统算法配合逐步关闭一些不需要用电的功能单元。

· 静态电源管理

静态电源管理中有一个非常重要的概念,那就是静态电流(IQ),是实现系统低功耗的重要途径之一。一些先进的电源管理芯片,比如线性稳压器,只提供nA级别的静态电流,以实现系统的超低功耗。静态电源管理是在系统不接受输入信号的情况下,电源器件本身的功耗,它与休眠电源管理进行协作。在电源管理系统中,除去静态电流的系统就是最小系统,两者同时实现低损耗,便能够进行更长久的系统待机。

· 动态电源管理

动态电源管理是在系统工作的状态下对系统功耗进行优化。由于智能化系统的负载是不断变化的,动态电源管理的智能化就体现在电源管理系统对主要耗电的计算、传感和通信三大系统都有精细化的调整能力,能够调整系统的工作电压和频率,从而优化系统的功耗水平。同时,动态电源管理的智能化还要求负载调节电路能够动态调整,消除尖峰电流和过压等危险因素对系统的损害,提高系统的稳定性。

#02 电源管理系统的组成

在电源管理系统的组成上,除了我们熟知的电源管理IC外,放大器、线性产品、数模/模数转换器以及隔离器等器件也是打造智能、高效电源管理系统时所需要的,比如模拟运算放大器,在增益、缓冲、滤波和电平转换等环节起到了重要作用。为了满足整个电源管理系统的智能化发展,这些器件都逐渐向着动态可调方向靠拢,例如数模转换器DAC,有时候会通过软连接算法来尽可能地抑制电源扰动。

适用于电源管理的电流检测放大器

刚刚我们从静态、动态、休眠以及电池系统监测四个方面讲述了电源管理系统的智能化发展趋势,接下来我们就从元器件角度出发,看看贸泽电子在售的这些出色的元器件是如何助力实现智能化电源管理系统的。

我们要推荐的第一款器件是适用于电源管理的INA191电流检测放大器,来自制造商TI,大家可以通过搜索制造商编号INA2191A3IYBJR精准地找到它。

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Texas Instruments
INA191电流检测放大器

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INA191是一款低功耗、电压输出、电流分流监控器,具有出色的低功耗产品特性,其低电源电压VS为1.7V-5.5V,低关断电流为100nA(最大值),低静态电流在25°C下为43μA(典型值)。该器件启用时最多消耗65μA电源电流,禁用时仅消耗100nA电流。

在介绍静态、动态、休眠电源管理的智能化发展时,我们曾多次提到系统电流检测和动态调整,INA191在这些方面具有明显的性能优势。INA191常被用于过流保护、针对系统优化的精密电流测量或闭环反馈电路,该器件通过多项优化保证了电流测量的精度。INA191具有低输入偏置电流,典型值为100pA,因此可以使用较大的电流检测电阻器,从而提供μA级的精确电流测量。INA191的其他精度优化项还包括±0.25%的最大增益误差(A2-A5器件),增益漂移仅为7ppm/°C(最大值),失调电压为±12μV(最大值),失调漂移为0.13μV/°C(最大值)。

在此特别指出,INA191的低偏移电压特性允许使用具有更低功率损耗的更小检测电阻器,同时仍提供精确的电流测量。这会有一个额外的优势:低阻值的并联电阻器能够帮助降低电流检测电路中的功率损耗,提高终端应用的功率效率。

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图1:INA191应用于高边/低边电流检测(图源:TI)

如图1所示,INA191支持从–0.2V到+40V的输入共模电压。由于内部拓扑,INA191的共模范围不受电源电压(VS)的限制,就可以在在共模电压大于或小于VS的情况下工作,因而可用于高边/低边电流检测应用。

我们说智能化的电源管理系统需要相关器件动态可调,这在INA191同样有所体现,INA191零漂移架构的低偏移电压扩展了电流测量的动态范围,让电源管理系统能够更好地响应负载的变化。

用于便携式和电池供电的电压基准

智能化的电源管理系统在进行功耗动态调整时,会涉及到电压的调整和监控,电压基准在这个过程中发挥着重要作用。下面为大家介绍同样来自制造商TI的电压基准——REF34xx/REF34xx-Q1,贸泽电子上的制造商编号为REF3430QDGKRQ1。

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Texas Instruments
REF34xx/REF34xx-Q1

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智能化电源管理系统实现动态调整的前提是系统具有极高的精准度,高精度是REF34xx/REF34xx-Q1器件的特征优势之一。REF34xx/REF34xx-Q1器件具有±0.05%的初始精度,30ppm/1000小时出色的长期稳定性,还具有5μVp-p/V的极低输出噪声,因此能够在噪声关键系统中通过高分辨率数据转换器保持较高的信号完整性,这对于电源管理系统在复杂环境下实现高精度动态调整非常关键。

95μA的小工作电流,以及950μA(最大值)的低静态电流,让REF34xx/REF34xx-Q1器件无论在静态还是动态的电源管理过程中都极具优势,再加上其小尺寸的产品特性,能够适用于便携式和电池供电应用。

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图2:REF34xx/REF34xx-Q1器件应用简图(图源:TI)

通过图2能够看到,REF34xx/REF34xx-Q1器件与制造商TI提供的大多数模数转换器和数模转换器兼容,如ADS1287、ADUCM360、ADS1112和ADS7828等,使得电源系统设计更为灵活。

支持软启动的μModule稳压器

实际上,软启动就是一项电源管理系统的智能化功能。在软启动或者延时启动出现之前,系统上电时出现的浪涌电流极易造成设备的损坏,而软启动则能控制电流从零启动,然后逐渐增加输出电压,使得变压器和输出电感能够正常进入工作状态,杜绝了主变压器和输出电感的饱和效应。

下面这款器件就是一款支持输出软启动的LTM4658降压型直流/直流μModule稳压器,来自制造商ADI,贸泽电子上的制造商编号为LTM4658IV#PBF。

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Analog Devices
LTM4658降压型直流/直流μModule稳压器

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LTM4658基于Silent Switcher 2架构打造,具有更高的效率,更小的占板面积以及卓越的EMI性能。LTM4658是高度集成的稳压器方案,封装中包含开关控制器、电源MOSFET、电感器和所有支持元件。

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图3:LTM4658典型应用电路(图源:ADI)

通过图3能够看到,该器件的典型应用电路非常简单,仅需要陶瓷输入和输出电容器,其高效率的设计可实现10A连续输出电流。

LTM4658非常适用于打造智能化的电源管理系统,能够在2.25V至5.5V的输入电压范围内提供0.5V至5.5V的精确调节输出电压,采用电流模式控制,可实现快速瞬态响应,并在该模式下提供逐周期快速限流、过流保护。

此外,LTM4658还支持外部频率同步、多相操作、可选脉冲阶跃模式操作。在脉冲阶跃模式下,LTM4658能够实现比强制连续模式更高的效率。在各种工作模式下,LTM4658还具有电压跟踪功能、软启动编程和模具温度监控。

总而言之,LTM4658具有高效率、高集成和模式灵活的产品特色,兼具易用性和设计灵活性,向我们展示了,在电源管理系统智能化趋势下,元器件需要具备怎样的产品特征。

智能化让电源管理全面升华

当前,绿色节能在全球范围内都是主旋律。浪费资源和高功耗的应用方案终将节能环保的创新方案所取代,在市场竞争中取得领先优势。这样的进步离不开高度智能化的电源管理系统。

考虑到设备小型、轻薄、便携的主流形态,仅仅依靠“蛮力”提升设备效率的方法并不是智能化的电源管理系统。真正的智能化是在高功率密度、高效、稳定的前提下,能够配合智能算法动态分析和控制系统能效,让电源管理全面升华。这是一个持续优化的过程,助力系统始终保持高效节能。

硬件层面,是一颗颗性能领先的模拟器件和电源管理IC塑造了智能化电源管理系统的硬件平台。这些性能领先的器件汇集在贸泽电子平台上,等待着一个又一个创新的电源管理方案去发现它们,和广大工程师朋友们一起开启绿色节能的新时代。
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