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        電源管理的智能化之路

        發布時間:2022-06-24 來源:貿澤電子 責任編輯:wenwei

        【導讀】電源管理技術作為電氣化時代各行各業發展必不可少的一項技術,是提升終端設備能效的主要途徑。從系統層面看,電源管理系統讓設備實現了穩定性、低功耗、高性能,在節能減排的大趨勢下,這項優勢會愈發突出;從器件層面看,電源管理芯片和模擬芯片等器件負責系統中電能的轉換、配電、檢測和其他電源管理,性能的優劣將通過電源管理系統真實地反饋在設備性能上。


        當前,在半導體、通信、傳感等技術的帶動下,各行各業都在經歷智能化的蛻變,設備的結構、技術、系統變得十分多元化,電能的使用場景更為復雜,智能化也成為衡量電源管理系統的一項核心指標。


        今天,我們就來探討一下電源管理的智能化發展趨勢,并為大家推薦貿澤電子上適用于智能化電源管理系統的新品元件。


        電源管理的智能化發展


        如上所述,智能化理念已經深入到社會生產生活的方方面面,因此電源管理系統的智能化是大勢使然。


        從表現形式上看,電源管理系統的智能化就是配合控制器、處理器等核心元件做好系統電能的分配。隨著系統功能越來越復雜,各環節的功耗控制需要精準地去優化。同時,電源管理系統需要和核心元件進行通信,對系統的供電需求變化做出實時的檢測分析和響應,從而大大提高系統效率。


        那么,電源管理系統是如何實現智能化的呢?這就需要從電源管理系統的主要功能和組成來進行分析。


        #01 電源管理系統的主要功能


        電源管理系統主要實現以下四種功能,分別是電池系統監測、休眠電源管理、靜態電源管理和動態電源管理。


        電池系統監測


        電池系統監測在BMS電池管理系統中是一項重要功能,面向的領域主要是新能源汽車和儲能系統等。這部分的智能化水平主要體現在對單電池和整個電池系統的主要參數的實時采集和監控,以及通過聯網功能在系統界面動態呈現。


        休眠電源管理


        休眠電源管理是系統實現低功耗時所需的一項創新技術。這里說的“休眠”是一個籠統的描述,包括睡眠、休眠、待機、混合睡眠等多種狀態,這個時候系統仍對核心器件進行供電,只是電流相對較小,只維持最小系統工作的狀態。休眠電源管理的智能化要求電源管理系統對所有用電設備具有精細化的監控和管理,能夠和系統算法配合逐步關閉一些不需要用電的功能單元。


        靜態電源管理


        靜態電源管理中有一個非常重要的概念,那就是靜態電流(IQ),是實現系統低功耗的重要途徑之一。一些先進的電源管理芯片,比如線性穩壓器,只提供nA級別的靜態電流,以實現系統的超低功耗。靜態電源管理是在系統不接受輸入信號的情況下,電源器件本身的功耗,它與休眠電源管理進行協作。在電源管理系統中,除去靜態電流的系統就是最小系統,兩者同時實現低損耗,便能夠進行更長久的系統待機。


        動態電源管理


        動態電源管理是在系統工作的狀態下對系統功耗進行優化。由于智能化系統的負載是不斷變化的,動態電源管理的智能化就體現在電源管理系統對主要耗電的計算、傳感和通信三大系統都有精細化的調整能力,能夠調整系統的工作電壓和頻率,從而優化系統的功耗水平。同時,動態電源管理的智能化還要求負載調節電路能夠動態調整,消除尖峰電流和過壓等危險因素對系統的損害,提高系統的穩定性。


        #02 電源管理系統的組成


        在電源管理系統的組成上,除了我們熟知的電源管理IC外,放大器、線性產品、數模/模數轉換器以及隔離器等器件也是打造智能、高效電源管理系統時所需要的,比如模擬運算放大器,在增益、緩沖、濾波和電平轉換等環節起到了重要作用。為了滿足整個電源管理系統的智能化發展,這些器件都逐漸向著動態可調方向靠攏,例如數模轉換器DAC,有時候會通過軟連接算法來盡可能地抑制電源擾動。


        適用于電源管理的電流檢測放大器


        剛剛我們從靜態、動態、休眠以及電池系統監測四個方面講述了電源管理系統的智能化發展趨勢,接下來我們就從元器件角度出發,看看貿澤電子在售的這些出色的元器件是如何助力實現智能化電源管理系統的。


        我們要推薦的第一款器件是適用于電源管理的INA191電流檢測放大器,來自制造商TI,大家可以通過搜索制造商編號INA2191A3IYBJR精準地找到它。


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        Texas Instruments

        INA191電流檢測放大器


        INA191是一款低功耗、電壓輸出、電流分流監控器,具有出色的低功耗產品特性,其低電源電壓VS為1.7V-5.5V,低關斷電流為100nA(最大值),低靜態電流在25°C下為43μA(典型值)。該器件啟用時最多消耗65μA電源電流,禁用時僅消耗100nA電流。


        在介紹靜態、動態、休眠電源管理的智能化發展時,我們曾多次提到系統電流檢測和動態調整,INA191在這些方面具有明顯的性能優勢。INA191常被用于過流保護、針對系統優化的精密電流測量或閉環反饋電路,該器件通過多項優化保證了電流測量的精度。INA191具有低輸入偏置電流,典型值為100pA,因此可以使用較大的電流檢測電阻器,從而提供μA級的精確電流測量。INA191的其他精度優化項還包括±0.25%的最大增益誤差(A2-A5器件),增益漂移僅為7ppm/°C(最大值),失調電壓為±12μV(最大值),失調漂移為0.13μV/°C(最大值)。


        在此特別指出,INA191的低偏移電壓特性允許使用具有更低功率損耗的更小檢測電阻器,同時仍提供精確的電流測量。這會有一個額外的優勢:低阻值的并聯電阻器能夠幫助降低電流檢測電路中的功率損耗,提高終端應用的功率效率。


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        圖1:INA191應用于高邊/低邊電流檢測

        (圖源:TI)


        如圖1所示,INA191支持從–0.2V到+40V的輸入共模電壓。由于內部拓撲,INA191的共模范圍不受電源電壓(VS)的限制,就可以在在共模電壓大于或小于VS的情況下工作,因而可用于高邊/低邊電流檢測應用。


        我們說智能化的電源管理系統需要相關器件動態可調,這在INA191同樣有所體現,INA191零漂移架構的低偏移電壓擴展了電流測量的動態范圍,讓電源管理系統能夠更好地響應負載的變化。


        用于便攜式和電池供電的電壓基準


        智能化的電源管理系統在進行功耗動態調整時,會涉及到電壓的調整和監控,電壓基準在這個過程中發揮著重要作用。下面為大家介紹同樣來自制造商TI的電壓基準——REF34xx/REF34xx-Q1,貿澤電子上的制造商編號為REF3430QDGKRQ1。


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        Texas Instruments

        REF34xx/REF34xx-Q1


        智能化電源管理系統實現動態調整的前提是系統具有極高的精準度,高精度是REF34xx/REF34xx-Q1器件的特征優勢之一。REF34xx/REF34xx-Q1器件具有±0.05%的初始精度,30ppm/1,000小時出色的長期穩定性,還具有5μVp-p/V的極低輸出噪聲,因此能夠在噪聲關鍵系統中通過高分辨率數據轉換器保持較高的信號完整性,這對于電源管理系統在復雜環境下實現高精度動態調整非常關鍵。


        95μA的小工作電流,以及950μA(最大值)的低靜態電流,讓REF34xx/REF34xx-Q1器件無論在靜態還是動態的電源管理過程中都極具優勢,再加上其小尺寸的產品特性,能夠適用于便攜式和電池供電應用。


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        圖2:REF34xx/REF34xx-Q1器件應用簡圖

        (圖源:TI)


        通過圖2能夠看到,REF34xx/REF34xx-Q1器件與制造商TI提供的大多數模數轉換器和數模轉換器兼容,如ADS1287、ADUCM360、ADS1112和ADS7828等,使得電源系統設計更為靈活。


        支持軟啟動的μModule穩壓器


        實際上,軟啟動就是一項電源管理系統的智能化功能。在軟啟動或者延時啟動出現之前,系統上電時出現的浪涌電流極易造成設備的損壞,而軟啟動則能控制電流從零啟動,然后逐漸增加輸出電壓,使得變壓器和輸出電感能夠正常進入工作狀態,杜絕了主變壓器和輸出電感的飽和效應。


        下面這款器件就是一款支持輸出軟啟動的LTM4658降壓型直流/直流μModule穩壓器,來自制造商ADI,貿澤電子上的制造商編號為LTM4658IV#PBF。


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        Analog Devices

        LTM4658降壓型直流/直流μModule穩壓器


        LTM4658基于Silent Switcher 2架構打造,具有更高的效率,更小的占板面積以及卓越的EMI性能。LTM4658是高度集成的穩壓器方案,封裝中包含開關控制器、電源MOSFET、電感器和所有支持元件。


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        圖3:LTM4658典型應用電路

        (圖源:ADI)


        通過圖3能夠看到,該器件的典型應用電路非常簡單,僅需要陶瓷輸入和輸出電容器,其高效率的設計可實現10A連續輸出電流。


        LTM4658非常適用于打造智能化的電源管理系統,能夠在2.25V至5.5V的輸入電壓范圍內提供0.5V至5.5V的精確調節輸出電壓,采用電流模式控制,可實現快速瞬態響應,并在該模式下提供逐周期快速限流、過流保護。


        此外,LTM4658還支持外部頻率同步、多相操作、可選脈沖階躍模式操作。在脈沖階躍模式下,LTM4658能夠實現比強制連續模式更高的效率。在各種工作模式下,LTM4658還具有電壓跟蹤功能、軟啟動編程和模具溫度監控。


        總而言之,LTM4658具有高效率、高集成和模式靈活的產品特色,兼具易用性和設計靈活性,向我們展示了,在電源管理系統智能化趨勢下,元器件需要具備怎樣的產品特征。


        智能化讓電源管理全面升華


        當前,綠色節能在全球范圍內都是主旋律。浪費資源和高功耗的應用方案終將節能環保的創新方案所取代,在市場競爭中取得領先優勢。這樣的進步離不開高度智能化的電源管理系統。


        考慮到設備小型、輕薄、便攜的主流形態,僅僅依靠“蠻力”提升設備效率的方法并不是智能化的電源管理系統。真正的智能化是在高功率密度、高效、穩定的前提下,能夠配合智能算法動態分析和控制系統能效,讓電源管理全面升華。這是一個持續優化的過程,助力系統始終保持高效節能。


        硬件層面,是一顆顆性能領先的模擬器件和電源管理IC塑造了智能化電源管理系統的硬件平臺。這些性能領先的器件匯集在貿澤電子平臺上,等待著一個又一個創新的電源管理方案去發現它們,和廣大工程師朋友們一起開啟綠色節能的新時代。



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