簡化電源管理的方法和技術(shù)指導(dǎo)

從電源的角度來說，過去數(shù)十年間，業(yè)界持續(xù)專注于提升大規(guī)模運算和信號處理的效能。與此同時，電子和IT系統(tǒng)的服務(wù)需求呈指數(shù)級增長，尤其是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的快速發(fā)展讓智能化理念逐漸滲透到人們生活的方方面面，??推動了終端產(chǎn)品應(yīng)用和電子消費升級。這一趨勢進(jìn)一步引發(fā)業(yè)界對電源管理的要求不斷提高。

當(dāng)前，僅互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施所消耗的電能估計就占到全球發(fā)電量的數(shù)個百分點，且所有電能在投入使用前都需經(jīng)歷控制、轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和過濾流程。1968年，幾乎沒有工程師能夠預(yù)想到處理器的出現(xiàn)，盡管其本質(zhì)上類似于CMOS，其操作電壓只需0.9 V（+/-2%），輸出電流卻可高達(dá)數(shù)十安培。這一點正是電力系統(tǒng)工程師面臨的諸多挑戰(zhàn)之一。

從功率的角度來講，無論是毫瓦級可穿戴設(shè)備，還是能量收集方案，亦或是千瓦級電源，它們追求的一個共同目標(biāo)都是提高能效。多年來，消費電子產(chǎn)品的電源設(shè)計人員一直致力于研發(fā)在額定功率輸出及待機(jī)狀態(tài)下均能最大限度地減少功耗的電源方案。業(yè)界相關(guān)管理規(guī)定，包括歐盟外接電源能效標(biāo)準(zhǔn)（CoC）第五版及美國能源部制定的第六級能效要求，均針對數(shù)百萬種非頻繁插拔的插拔式電源設(shè)定了最高‘待機(jī)功耗’標(biāo)準(zhǔn)。為助力設(shè)計人員簡化設(shè)計流程，本文特此精選了一組全新電源管理芯片并分享一些重要設(shè)計準(zhǔn)則，讓設(shè)計人員只需輔助使用一些在線設(shè)計工具即可完成他們的處女作。

電源管理是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計面臨的一個主要問題。當(dāng)前，盡管越來越多應(yīng)用能夠通過能量收集技術(shù)實現(xiàn)超低功耗設(shè)計，但這種方法并不適于其他更多應(yīng)用設(shè)計。在這種情況下，需要電池為系統(tǒng)供電。二者的區(qū)別在于，使用能量收集技術(shù)的產(chǎn)品只需采集到環(huán)境中容易獲得的少量能量便可運行，而電池供電設(shè)備在某一時間則需要更換電池。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命可通過一個簡單的計算予以確定：即電池容量除以平均放電率。因此，盡量減少設(shè)備的能耗或增加電池容量都可延長電池的使用壽命并降低產(chǎn)品的總擁有成本。

通常情況下，電池是物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)中的最大組件，這導(dǎo)致工程師的選擇往往非常有限。然而，工程師可以借助各種處理器、通信技術(shù)和軟件算法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，以提供所需電池壽命?？紤]到電池更換成本頗高，一個優(yōu)良的系統(tǒng)設(shè)計通常需要確保原裝電池能夠支撐物聯(lián)網(wǎng)傳感器在整個生命周期內(nèi)的順暢運行。

開發(fā)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須實施精細(xì)的工程設(shè)計。盡管組件的選擇很重要，但設(shè)計不當(dāng)卻也能讓低功耗處理器的優(yōu)勢蕩然無存。為此，處理器的設(shè)計需盡量實現(xiàn)低功耗待機(jī)模式運行，并最大限度地減少無線通信的使用，從而提供優(yōu)良的電池性能。

為滿足這一設(shè)計需求，德州儀器推出了基于新型 LLC 架構(gòu)的全新控制器芯片UCC256301 和UCC256303，可提供業(yè)界新低待機(jī)功耗。德州儀器LLC 架構(gòu)采用混合滯回控制策略。為實現(xiàn)更高效能，業(yè)界不斷探索并研發(fā)出了一系列創(chuàng)新架構(gòu)和開關(guān)模式，德州儀器LLC 架構(gòu)便是業(yè)界持續(xù)努力的最新成果。這類控制器不僅需具備低損耗的特性，且需具有快速瞬態(tài)響應(yīng)能力的電源以滿足負(fù)載從低功率快速切換到高功率狀態(tài)時的突變需求；同時，其穩(wěn)壓器實際上是一個具有固定輸出電平的寬帶放大器，需始終保持穩(wěn)定運行。借助超快的瞬態(tài)響應(yīng)和簡單的補(bǔ)償并結(jié)合強(qiáng)大的故障保護(hù)功能，例如規(guī)避零電流開關(guān)，確?？煽窟\行。

圖一：采用德州儀器混合滯回控制的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)：從空載切換至滿載狀態(tài)時，轉(zhuǎn)換器將輸出電壓的最大偏差限制在1.25%，且輸出電壓在200μs內(nèi)即可恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。

可穿戴設(shè)備是近期的一個“熱門話題”，無論是用于醫(yī)療還是作為信息娛樂設(shè)備，它們的一個迫切需求都是實現(xiàn)低功耗水平運行，并盡量減少損耗，而電源管理元件能夠滿足這種獨特需求。Maxim Integrated的MAX20303就是一個例子。它是一款高度集成的可編程器件，采用3.71mm x 4.21mm小巧封裝設(shè)計，提供多種豐富功能。它具有一組靈活的功率優(yōu)化穩(wěn)壓器，包括多個降壓、升壓、升/降壓和線性穩(wěn)壓器，可輸出高達(dá)220 mA的電流。每個穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流特別優(yōu)化到1μA（典型值），以延長‘不間斷運行’應(yīng)用中的電池壽命。完整的電池管理解決方案包括充電器、電源通路、電量計及電池外殼。

與可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品密切相關(guān)的另一趨勢則是消費者對便捷性無線操作的需求導(dǎo)致無線充電日漸普及。自電源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)誕生以來，提升功率水平這項工作從未停止，即使新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范才開始實施。無線充電聯(lián)盟（WPC）制定的最新QiExtended Power標(biāo)準(zhǔn)，將功率從5W提高到15W。為支持這一新標(biāo)準(zhǔn)的實施，意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）推出一款先進(jìn)的無線充電發(fā)射芯片STWBC-EP，可以最低待機(jī)功耗提供必要的異物檢測和安全功能。它包含一個DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器和一個控制器，以及Qi充電算法固件。轉(zhuǎn)換器和控制器協(xié)同產(chǎn)生輸入功率和控制信號，傳送到外部半橋功率級，用于驅(qū)動充電發(fā)射器天線。意法半導(dǎo)體還推出了一款相關(guān)評估套件，內(nèi)含一個15W Qi MP-A10參考設(shè)計、12V 2A AC/DC適配器、USB/UART轉(zhuǎn)接口(用于連接PC機(jī)和USB數(shù)據(jù)線)，以及預(yù)裝固件。

此外，在消費及許多其他應(yīng)用領(lǐng)域，USB-C的使用也持續(xù)變得更加普遍。借助其高功率傳輸能力和單點連接特性，業(yè)界已推出多款電池充電器芯片。其中就包括來自Intersil的ISL95338升降壓穩(wěn)壓器，它采用Type-C雙面可插連接器，適用于各種類型的移動設(shè)備，且可替換兩個電壓轉(zhuǎn)換器并提供USB PD3.0雙向電壓調(diào)節(jié)。

圖二：Intersil評估板ISL95338芯片通過USB-C供電提供升/降壓調(diào)節(jié)功能

ISL95338穩(wěn)壓器可接受廣泛的DC電源輸入，包括AC/DC電源適配器、USB PD3.0端口、旅行電源適配器、電源存儲模組等，并可將電源轉(zhuǎn)換成高達(dá)24V的穩(wěn)定電壓。ISL95338能夠?qū)挿秶腄C電源在電源適配器輸入端轉(zhuǎn)換成20V穩(wěn)定電壓，且可在降壓模式、升壓模式、降壓-升壓模式下運行。它還利用Intersil調(diào)制專利技術(shù)，融合了固定頻率脈沖寬度調(diào)制(PWM)和滯環(huán)PWM的特性，從而實現(xiàn)高功效運行并提供超快瞬態(tài)響應(yīng)。其設(shè)計可完全兼容USB PD3.0標(biāo)準(zhǔn)，并支持可編程電源(PPS)快速充電，提供雙向5V-20V降壓、升壓、降壓-升壓模式。

當(dāng)然，并非所有的電壓調(diào)節(jié)都通過開關(guān)設(shè)計來實現(xiàn)。在許多應(yīng)用中，出于極低噪聲要求，只需配置一個線性穩(wěn)壓器就可實現(xiàn)這一功能。典型應(yīng)用場景包括為精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器或低失真RF放大器供電，這些應(yīng)用無法容忍任何電源噪聲。

德州儀器的TPS7A39恰可滿足這種應(yīng)用需求，并能為設(shè)計人員提供適用于各種應(yīng)用的通用組件。這款150mA穩(wěn)壓器的最顯著功能在于它可為接地數(shù)模轉(zhuǎn)換器任一端，以及運算/儀表放大器上需要對稱或非對稱電壓的元件和子系統(tǒng)提供正負(fù)電壓輸出。TPS7A39的正負(fù)輸出可獨立調(diào)節(jié)，并可在啟動期間以恒定比率相互跟蹤。對于單電源放大器，其負(fù)輸出可調(diào)節(jié)至0V。TPS7A39穩(wěn)壓器規(guī)定電源抑制比(PSRR)需超過50 dB（最高2 MHz）和69dB(120Hz)，從而為線性電路消除開關(guān)（和其他）噪聲干擾。

本文精選的電源內(nèi)容僅初步介紹了“電源”這個廣闊設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)信息，其他諸如高壓集成、碳化硅和氮化鎵功率器件最新驅(qū)動技術(shù)、大量快速成型的規(guī)則等電源設(shè)計話題還有待進(jìn)一步探討。設(shè)計人員可從e絡(luò)盟獲取以上制造商產(chǎn)品和其他熱門電源應(yīng)用器件以及相關(guān)支持服務(wù)，從而實現(xiàn)無障礙設(shè)計。