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如何简化电源管理方案设计

时间：2018-09-13 14:44来源：21Dianyuan

摘要：从电源的角度来说，过去数十年间，业界持续专注于提升大规模运算和信号处理的效能。与此同时，电子和IT系统的服务需求呈指数级增长，尤其是人工智能和物联网等新兴技术的快速发展让智能化理念逐渐渗透到人们生活的方方面面，推动了终端产品应用和电子消费升级。这一趋势进一步引发业界对电源管理的要求不断提高。

本文作者：朱伟弟，e络盟大中华区销售总监

从电源的角度来说，过去数十年间，业界持续专注于提升大规模运算和信号处理的效能。与此同时，电子和IT系统的服务需求呈指数级增长，尤其是人工智能和物联网等新兴技术的快速发展让智能化理念逐渐渗透到人们生活的方方面面，推动了终端产品应用和电子消费升级。这一趋势进一步引发业界对电源管理的要求不断提高。

当前，仅互联网基础设施所消耗的电能估计就占到全球发电量的数个百分点，且所有电能在投入使用前都需经历控制、转换、调节和过滤流程。1968年，几乎没有工程师能够预想到处理器的出现，尽管其本质上类似于CMOS，其操作电压只需0.9 V（+/-2%），输出电流却可高达数十安培。这一点正是电力系统工程师面临的诸多挑战之一。

从功率的角度来讲，无论是毫瓦级可穿戴设备，还是能量收集方案，亦或是千瓦级电源，它们追求的一个共同目标都是提高能效。多年来，消费电子产品的电源设计人员一直致力于研发在额定功率输出及待机状态下均能最大限度地减少功耗的电源方案。业界相关管理规定，包括欧盟外接电源能效标准（CoC）第五版及美国能源部制定的第六级能效要求，均针对数百万种非频繁插拔的插拔式电源设定了最高‘待机功耗’标准。为助力设计人员简化设计流程，本文特此精选了一组全新电源管理芯片并分享一些重要设计准则，让设计人员只需辅助使用一些在线设计工具即可完成他们的处女作。

电源管理是物联网设备设计面临的一个主要问题。当前，尽管越来越多应用能够通过能量收集技术实现超低功耗设计，但这种方法并不适于其他更多应用设计。在这种情况下，需要电池为系统供电。二者的区别在于，使用能量收集技术的产品只需采集到环境中容易获得的少量能量便可运行，而电池供电设备在某一时间则需要更换电池。物联网设备的电池寿命可通过一个简单的计算予以确定：即电池容量除以平均放电率。因此，尽量减少设备的能耗或增加电池容量都可延长电池的使用寿命并降低产品的总拥有成本。

通常情况下，电池是物联网传感器系统中的最大组件，这导致工程师的选择往往非常有限。然而，工程师可以借助各种处理器、通信技术和软件算法进行系统设计，以提供所需电池寿命。考虑到电池更换成本颇高，一个优良的系统设计通常需要确保原装电池能够支撑物联网传感器在整个生命周期内的顺畅运行。

开发电池供电的物联网设备必须实施精细的工程设计。尽管组件的选择很重要，但设计不当却也能让低功耗处理器的优势荡然无存。为此，处理器的设计需尽量实现低功耗待机模式运行，并最大限度地减少无线通信的使用，从而提供优良的电池性能。

为满足这一设计需求，德州仪器推出了基于新型LLC架构的全新控制器芯片UCC256301 和UCC256303，可提供业界新低待机功耗。德州仪器LLC架构采用混合滞回控制策略。为实现更高效能，业界不断探索并研发出了一系列创新架构和开关模式，德州仪器LLC架构便是业界持续努力的最新成果。这类控制器不仅需具备低损耗的特性，且需具有快速瞬态响应能力的电源以满足负载从低功率快速切换到高功率状态时的突变需求；同时，其稳压器实际上是一个具有固定输出电平的宽带放大器，需始终保持稳定运行。借助超快的瞬态响应和简单的补偿并结合强大的故障保护功能，例如规避零电流开关，确保可靠运行。

 
图一：采用德州仪器混合滞回控制的转换器实现瞬态响应：从空载切换至满载状态时，转换器将输出电压的最大偏差限制在1.25%，且输出电压在200μs内即可恢复到稳态。
 
可穿戴设备是近期的一个“热门话题”，无论是用于医疗还是作为信息娱乐设备，它们的一个迫切需求都是实现低功耗水平运行，并尽量减少损耗，而电源管理元件能够满足这种独特需求。Maxim Integrated的MAX20303就是一个例子。它是一款高度集成的可编程器件，采用3.71mm x 4.21mm小巧封装设计，提供多种丰富功能。它具有一组灵活的功率优化稳压器，包括多个降压、升压、升/降压和线性稳压器，可输出高达220 mA的电流。每个稳压器的静态电流特别优化到1μA （典型值），以延长‘不间断运行’应用中的电池寿命。完整的电池管理解决方案包括充电器、电源通路、电量计及电池外壳。

与可穿戴设备等产品密切相关的另一趋势则是消费者对便捷性无线操作的需求导致无线充电日渐普及。自电源相关标准诞生以来，提升功率水平这项工作从未停止，即使新的标准规范才开始实施。无线充电联盟（WPC）制定的最新QiExtended Power标准，将功率从5W提​​高到15W。为支持这一新标准的实施，意法半导体（ST Microelectronics）推出一款先进的无线充电发射芯片STWBC-EP，可以最低待机功耗提供必要的异物检测和安全功能。它包含一个DC/DC升压转换器和一个控制器，以及Qi充电算法固件。转换器和控制器协同产生输入功率和控制信号，传送到外部半桥功率级，用于驱动充电发射器天线。意法半导体还推出了一款相关评估套件，内含一个15W Qi MP-A10参考设计、12V 2A AC/DC适配器、USB/UART转接口(用于连接PC机和USB数据线)，以及预装固件。

此外，在消费及许多其他应用领域，USB-C的使用也持续变得更加普遍。借助其高功率传输能力和单点连接特性，业界已推出多款电池充电器芯片。其中就包括来自Intersil的ISL95338升降压稳压器，它采用Type-C双面可插连接器，适用于各种类型的移动设备，且可替换两个电压转换器并提供USB PD3.0双向电压调节。

 
图二：Intersil评估板ISL95338芯片通过USB-C供电提供升/降压调节功能
 
ISL95338稳压器可接受广泛的DC电源输入，包括AC/DC电源适配器、USB PD3.0端口、旅行电源适配器、电源存储模组等，并可将电源转换成高达24V的稳定电压。ISL95338能够将宽范围的DC电源在电源适配器输入端转换成20V稳定电压，且可在降压模式、升压模式、降压-升压模式下运行。它还利用Intersil调制专利技术，融合了固定频率脉冲宽度调制(PWM)和滞环PWM的特性，从而实现高功效运行并提供超快瞬态响应。其设计可完全兼容USB PD3.0标准，并支持可编程电源(PPS)快速充电，提供双向5V-20V降压、升压、降压-升压模式。

当然，并非所有的电压调节都通过开关设计来实现。在许多应用中，出于极低噪声要求，只需配置一个线性稳压器就可实现这一功能。典型应用场景包括为精密模数转换器或低失真RF放大器供电，这些应用无法容忍任何电源噪声。

德州仪器的TPS7A39恰可满足这种应用需求，并能为设计人员提供适用于各种应用的通用组件。这款150mA稳压器的最显著功能在于它可为接地数模转换器任一端，以及运算/仪表放大器上需要对称或非对称电压的元件和子系统提供正负电压输出。TPS7A39的正负输出可独立调节，并可在启动期间以恒定比率相互跟踪。对于单电源放大器，其负输出可调节至0V。TPS7A39稳压器规定电源抑制比(PSRR)需超过50 dB（最高2 MHz）和69dB(120Hz)，从而为线性电路消除开关（和其他）噪声干扰。

本文精选的电源内容仅初步介绍了“电源”这个广阔设计领域内的相关信息，其他诸如高压集成、碳化硅和氮化镓功率器件最新驱动技术、大量快速成型的规则等电源设计话题还有待进一步探讨。设计人员可从e络盟获取以上制造商产品和其他热门电源应用器件以及相关支持服务，从而实现无障碍设计。
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