電源設計工程師通常采用靈活的電源監(jiān)視、時序控制和調節(jié)電路來管理他們的系統(tǒng)。本文討論電源管理的原理和方法。
多年來,為了使電子系統(tǒng)安全、經濟、耐用和正常工作,對越來越多的電源電壓進行監(jiān)測和控制變得極為重要——特別是對于使用微處理器的系統(tǒng)。監(jiān)測一組電源電壓是否超過閾值或者仍然處于正常工作范圍內,以及該電壓是否相對于其它電壓依照正確時序啟動或關閉,對于系統(tǒng)工作的可靠性和安全性來說是至關重要的。對于這個問題,在每個不同角度上都有著許多解決的方法。例如,利用一個由精密電阻分壓器、比較器和參考電壓所組成的簡單電路,能夠用來檢測一組電源電壓是否高于或低于某一規(guī)定電壓。在復位發(fā)生器中,例如ADM8032,這種元件與一個延遲元件相結合來控制器件——例如微處理器、專用集成電路(ASIC)和數(shù)字信號處理器(DSP)——在電源啟動的同時就處于復位狀態(tài)。這種等級的監(jiān)測對于許多應用來說是足以勝任的。當需要監(jiān)測多組電源電壓時,通常將多個器件(或是多通道比較器及其相關電路)并聯(lián)使用,但是增加了對監(jiān)控IC的要求,不再是簡單的閾值比較。
在許多應用中,電源的數(shù)目也顯著增加。在一些復雜、昂貴的系統(tǒng)中,例如局域網(LAN)交換機和蜂窩電話基站,通常都會有內含10組或更多電源的線路卡;即使注重降低成本的消費類系統(tǒng),例如等離子電視,也可能有多達15組的獨立電源,其中許多電源需要監(jiān)測和時序控制?,F(xiàn)今許多高性能的IC都需要多組電源,例如,對于許多器件而言,提供獨立的內核電源電壓和I/O電源電壓已成為一種標準作法。在高端產品方面,每顆 DSP可能需要高達四個獨立供應的電源。在許多情況下,多顆多電源器件可能共同存在于同一系統(tǒng)中,其中包含FPGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器(以及模擬單元)。
許多器件都采用標準電源電壓(例如 3.3 V),而另一些器件可能需要專用電源電壓。除此之外,一個特定的標準電壓還可能需要根據(jù)不同的供應對象而個別加以調整。例如,有時會需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨立供應的模擬電源和數(shù)字電源。為了提高效率(例如:供應給內存使用的電源電流可能達到數(shù)百安培)或者為了滿足時序要求(個別的器件在不同時間需要3.3 VA以及3.3 VB),多次產生相同的電壓有時可能是必要的。所有的這些因素都促使電源數(shù)目的增加。電源電壓監(jiān)測和時序控制有時會變得極為復雜,特別是當一個系統(tǒng)必須設計成能夠支持電源上電和電源關斷的時序控制、以及能夠在工作期間內不同時間點上,針對各組電源所有可能的故障狀況產生多種響應,而中心電源管理控制器正是解決這個難題的最佳方案。
隨著電源電壓數(shù)目的成加,故障發(fā)生的機率也隨著增加。其風險與電源數(shù)目、器件數(shù)量和系統(tǒng)復雜程度成比例增加。外在因素也會增加風險,例如,假如在初始設計階段,主要的ASIC的特性沒有被完整的定義清楚,那么電源設計工程師必須用硬件方法完成電壓閾值監(jiān)測和時序控制,因為會隨著ASIC的發(fā)展其電源電壓指標會發(fā)生變化。假如其技術要求改變,那么其PCB必須根據(jù)——明確的進程予以修改,這通常涉及到成本問題。另外,對于某些特定器件來說,其電源電壓的指標可能會在其開發(fā)期間有所變化。在這種情況之下,對于任一個中心電源系統(tǒng)管理器來說,一個易于調整電源電壓的方法應該是非常有用的。事實上,在對于此類系統(tǒng)的電源進行監(jiān)測、時序控制和調節(jié)所應具備的靈活性是非常必要的。
1.基本監(jiān)測
圖1示出一個利用ADCMP3543比較器和參考電壓源IC監(jiān)測多組電源電壓的簡單方法。其中,每組電源都使用一個獨立的電路,電阻分壓器將電源電壓降低,并對每一組電源電壓設定一個欠壓跳變點。此外,所有的輸出都結合起來,以產生一個公共的電源好信號。
圖1.用于三電源系統(tǒng)基于比較器的欠壓檢測和共同電源準備好輸出指示
2.基本時序控制
圖2示出了如何用分立器件完成基本的時序控制,此處采用邏輯閾值而不是比較器。這里的12 V和5 V電源是在別處電路產生的。為了確保系統(tǒng)能夠正確地工作,必須導入一段時間延遲。在此是利用一個電阻電容(RC)的組合,以便緩慢地將串聯(lián)的5 V電源電壓施加在 N溝道場效應晶體管(FET)的柵極上。此處所選用的RC值可確保在FET達到其閾值電壓并且在開啟之前有足夠的延遲時間,其中3.3 V和1.8 V電源電壓是由低壓差(LDO)穩(wěn)壓器ADP33304和ADP33335產生的。這兩個電壓的啟動時間也是利用RC時序控制的。由于RC能驅動每個LDO的關閉(SD)接腳,因此是不需要串聯(lián)FET。這里設定的RC值是為了確保在SD接腳的電壓爬升到其閾值以前有足夠的延遲時間(t2, t3)。
圖2.四組電源系統(tǒng)的基本分立式時序控制
這種簡單、低成本的時序控制電源的方法,占用很少的PCB面積,所以許多應用都能夠完全接受。這種方法適合于成本是主要考慮,對于時序要求很簡單,而且時序電路的精確性不是十分重要的系統(tǒng)。
但在許多情況下,還會需要有比RC延遲電路更高的精確性。此外,這種簡單的解決方案也不能容許以結構化的方法來處理故障情況(例如:一個5 V電源電壓失效最后也會影響到其它電源電壓)。
3.利用IC進行時序控制
圖3示出如何使用ADM68206和ADM10867電源時序控制IC正確可靠地時序控制同一系統(tǒng)中的電源電壓。內部比較器會檢測電源電壓何時超過精密設定值。經過可編程的啟動延遲之后產生輸出,從而使得ADP33098和ADP33359穩(wěn)壓器能按照需求的時序工作。使用電阻比值來設定閾值;利用一只電容器來設定延遲時間。
圖3.使用監(jiān)測IC實現(xiàn)的對對電源系統(tǒng)時序控制時序
市面上可提供多種多樣的電源時序控制IC10。有一些器件具有能夠直接啟動電源模塊的輸出,并且可提供多種輸出配置。有些IC包含內置電荷泵電壓產生器。這點對于需要對上行產生時序控制,但卻又欠缺高電壓源(例如,12 V電源)的低電壓系統(tǒng)特別有用,用以驅動N溝道FET柵極。許多這類器件也具有允許(enable)引腳,可以接受來自于按鈕開關或是控制器的外部信號,以便在需要時能夠重新啟動時序控制或者關斷所控制的電源。
4.集成的電源系統(tǒng)管理
有些系統(tǒng)具有許多電源,這類應用對于需要使用大量IC和利用電阻器和電容器來設定延遲時間和閾值幅度的分立式作法而言,會變得過于復雜、耗費成本,而且也無法提供適當?shù)男阅堋?/p>
圖4.一個用于八組供應系統(tǒng)的集中式排序以及監(jiān)測解決方案
考慮一個具有八組電源,需要復雜電源啟動的時序控制系統(tǒng)。必須監(jiān)測每組電源,以免產生欠壓或過壓故障。當產生故障時,根據(jù)故障機制,要么關斷所有電源電壓,要么初始化關斷電源時序。此外,必須根據(jù)控制信號的狀態(tài)采取執(zhí)行措施,并且必須根據(jù)電源的狀態(tài)產生標志位。要利用分立器件和簡單的IC來完成如此復雜的電路,可能需要動用數(shù)以百計的單獨元件、占用很大的PCB面積以及便隨的大量成本。
在具有四組或更多電源系統(tǒng)中,使用一個集中式的器件來管理電源會是比較合理的作法。這個方法的一個例子可從圖4中看到。
5.集中式監(jiān)測和時序控制
ADM106x Super Sequencer?11超級時序控制器系列仍然使用比較器,但是有一些重要的不同點。每個輸入端都有兩個專用的比較器,以完成欠壓和過壓檢測,這樣便可對ADP182112和ADP2105 DC/DC變換器和ADP1715 LDO所產生的電壓提供區(qū)間監(jiān)測。欠壓故障是電源啟動之前的正常狀態(tài),因此這個狀態(tài)為時序控制提供指示。過壓狀態(tài)通常表示一種嚴重故障——例如FET或電感器短路,所以必須立即行動。
系統(tǒng)具有電源數(shù)量越多通常也會越復雜,因而受精度限制越嚴格。另外,在低電壓狀態(tài)下(例如1.0V和0.9V)利用電阻器來設定精確的閾值也成為問題。雖然在5V電源上可以接受10%的容許誤差,但這個容許誤差對于1V電源來說不能接受。ADM1066在最壞情況下允許輸入檢測器比較器的閾值設定在 1%范圍內,而與電壓值(低到0.6 V)無關,并且工作在該器件允許的整個溫度范圍,這可增加每個比較器的內部尖峰毛刺濾波和延遲。它的邏輯輸入可以用來啟動電源上電順序、關閉所有的電源、或執(zhí)行其它的功能。
這些來自一組比較器并且送往功能強大和靈活的狀態(tài)機內核的信息,可用于以下幾種用途:
時序控制:當最近被允許的電源輸出電壓進入到一個比較器區(qū)間內,可觸發(fā)一個時間延遲以便按照啟動電源的時序開啟下一個電源。具有多重電源啟動和電源關閉時序,或是具有差異甚大的電源啟動和電源關閉時序的復雜時序控制都可以做到。
超時:假如一個已被允許的電源電壓并未按照預期上來,可以執(zhí)行一套適當?shù)姆磻鳂I(yè)(例如產生一個中斷信號或關閉系統(tǒng))。相對之下,純模擬的解決方案只會懸掛在時序中的那點上。
監(jiān)測:假如任一電源上的電壓超出了預設的區(qū)間,可以依據(jù)發(fā)生故障的電源、發(fā)生故障的類型和當前的工作模式,執(zhí)行一套適當?shù)姆磻鳂I(yè)。具有五組以上電源的系統(tǒng)通常都相當昂貴,因此全面的故障保護是極為重要的。
6.電源調整
除了能夠監(jiān)測多組電源電壓以及提供復雜的時序控制解決方案之外,ADM1066這類集成電源管理器件,還可提供暫時性或是永久性調整個別電源電壓的工具。 DC/DC變換器或穩(wěn)壓器的電壓輸出,可以通過調整該器件上的調整節(jié)點或者反饋節(jié)點上的電壓來改變。一般來說,一個模塊中介于輸出與地線之間的電阻分壓器,會在調整引腳和反饋引腳之間設定一個標稱電壓,從而設定出一標稱輸出電壓。通過切換反饋回路中的額外電阻器或者控制可變電阻的簡單機制,便可改變調整電壓和反饋電壓,進而調整輸出電壓。
ADM1066配備有數(shù)模轉換器(DAC),可以直接控制調整節(jié)點和反饋節(jié)點。為了得到最大的效率,這些DAC不會在地線與最大電壓之間工作,而是會以標稱的調整電壓或反饋電壓為中心點,在一相當窄的區(qū)間中工作。衰減電阻器的阻值會經由DAC的每個LSB改變,來對電源模塊輸出的遞增變化產生比例縮減的效果。這種開環(huán)調節(jié)方式提供了提升邊限或者降低邊限的標準,相當于那些利用參考電路中的數(shù)字電阻切換所獲得的結果,并且可以將輸出調整到類似的精度。ADM1066還包含一個用來測量電源電壓的12 bit模數(shù)轉換器(ADC), 以方便實現(xiàn)一個閉環(huán)電源電壓調節(jié)方法。通過給定的DAC輸出設定,電源模塊的電壓輸出可由ADC予以數(shù)字化,并用軟件方法與所設定的目標電壓進行比較。這樣,便可調整DAC來校正電壓輸出,使其盡可能接近目標電壓。這個閉環(huán)調節(jié)方法提供了一個非常精確的方式來調整電源。使用了閉環(huán)方法,就與外部電阻的精確度完全無關。在圖4中,DC-DC4的輸出電壓便是利用其中一個內置DAC來加以調整的。
這種電源調節(jié)方案有兩個主要用途,第一是電源容限的概念,也就是當電源處于設備規(guī)定的電源電壓范圍的邊界值時,測試系統(tǒng)做出的反應。要求數(shù)據(jù)通訊、電信、蜂窩電話基礎設施、服務器、和儲存區(qū)域網絡設備等制造商在將他們的系統(tǒng)交給終端客戶之前必須嚴格測試。系統(tǒng)中的所有電源電壓都應該在一定的容許誤差范圍內工作(例如±5%、±10%)。電源容限特性允許所有的內置電源電壓通過確保正確工作所做的測試,調整到容許誤差范圍的上限和下限。具有電源調整能力的集中式電源管理器件,便可以用來進行這種電源容限測試,同時只需要完成一次測試所需的額外器件和PCB面積最小——在制造商的測試地點完成容限測試期間。四角區(qū)域測試——也就是通常需要在工作電壓和溫度范圍進行測試,因此ADM106213除了具有閉環(huán)電源電壓容限檢測電路之外,還集成了溫度檢測和回讀功能。
電源調節(jié)方案的第二個用途是為了補償工作現(xiàn)場的系統(tǒng)電源電壓的波動。有許多的原因會造成電源電壓波動。就短期間而言,當溫度改變時,電壓的輕微改變是十分常見的;就長期來說,某些器件的參數(shù)可能會隨產品的長期使用而產生輕微的漂移,這可能也會導致電源電壓的漂移。ADC以及DAC環(huán)路可以周期性地被啟動(例如每10,30,或60秒),再結合了軟件校正環(huán)路,便能夠將電源電壓保持在其應有的狀態(tài)。
7.使用靈活性
ADM1066具有內置非易失存儲器,所以當系統(tǒng)的時序與監(jiān)測需要在開發(fā)過程中逐步發(fā)展時,允許按照需求進行多次重新編程。這意味著硬件設計可以在產品原型設計的初期完成,而且監(jiān)測和時序的最優(yōu)化可以隨著項目的進展來進行。
Intersil電池管理解決方案(BMS)
Intersil 可提供從輸入過壓保護 (OVP) 到多電池平衡的全系列 BMS。Intersil 充電器可滿足手持設備、移動互聯(lián)網設備 (MID)、筆記本電腦、電源工具和其他眾多設備的充電需求。這可通過適用于緊湊型應用的全集成式解決方案和適用于更高功率應用的充電控制器得以實現(xiàn)。
工業(yè)級 BMS
Intersil 的鋰離子電池組監(jiān)測、保護和平衡 IC 的設計目的是:滿足消費電子產品、家用電器、備用電池、電動摩托車/電動自行車等便攜式和電池供電應用的嚴格的安全性、可靠性和性能要求。
解決方案概述
這些BMS集成電路集成內置的故障檢測,所有主要的內部功能。它們可以檢測外部故障,如明線和過/欠電壓,以及溫度和電池平衡故障,以減輕電池組故障。 整體的ISL94212,ISL94203和ISL94208的高度集成的功能提供了許多好處和它們的使用可以顯著降低總體電池管理成本。
1)ISL94212:多節(jié)鋰離子電池管理
ISL94212是一個多節(jié)鋰離子電池管理IC的監(jiān)督高達12串聯(lián)電池。該部分進行準確的監(jiān)測,電池均衡和廣泛的系統(tǒng)診斷。
ISL94212應用框圖
2)ISL94208:4至6節(jié)鋰離子電池管理模擬前端
ISL94208用作微控制器,并且在多單元鋰電池組中作過流保護模擬前端。
ISL94208應用框圖
3)ISL94203:3至8節(jié)鋰離子電池組監(jiān)視器
ISL94203是支持3?8串聯(lián)電池的鋰離子電池監(jiān)控器IC。它提供完整的電池監(jiān)控和包裝的控制。
ISL94203應用框圖
4)ISL2802x:精密數(shù)字電源監(jiān)視器
Intersil的ISL2802x數(shù)字電源監(jiān)視器(DPM)系列,可在一個很寬的輸入共模電壓范圍進行高精度測量(0V至60V),為設計人員提供安全邊際高的水平,往往必需的是有線,無線和數(shù)據(jù)基礎設施應用。
詳細資料:Intersil工業(yè)級電池保護、監(jiān)控與平衡解決方案
汽車級 BMS
Intersil的ISL78600汽車級鋰離子電池管理解決方案專為滿足下一代混合動力電動汽車(HEV),插電式混合電動車(PHEV)和電動汽車(EV)應用程序的嚴格的安全性,可靠性和性能要求。
在汽車級(AEC-Q100),ISL7860012芯電池組管理器可以用作ASIL額定BMS一個獨立的部分或部署結合備份/冗余電池監(jiān)測IC更高 ASIL評級。該ISL78600集成了內置的故障檢測,其所有主要的內部功能,并檢測外部故障,如開線,過壓和欠壓,以及溫度和電池平衡故障,以減輕電 池組故障??偟膩碚f,ISL78600的高度集成的功能提供了許多關鍵的好處,可以顯著減少HEV/ PHEV/ EV的電池組及其相關系統(tǒng)的整體成本。
ISL78600:多節(jié)鋰離子電池管理
ISL78600鋰離子電池管理器集成電路監(jiān)督多達12串聯(lián)連接的電池。該器件提供準確的監(jiān)測,電池均衡和廣泛的系統(tǒng)診斷功能。三種電池平衡模式結合 - 手動均衡模式,定時平衡模式和自動平衡模式。自動均衡模式下終止時表示由主機微控制器規(guī)定的電荷轉移的價值已經達到了平衡作用。
ISL78600應用框圖
Intersil消費電子產品電源管理方案
移動設備的電源管理要求變得日益復雜,因為消費者要求智能手機與平板電腦具備更多的功能和應用支持。設備和顯示器耗電更高,應用處理器變得比以 往更加強大,而設備尺寸卻變得更小、更薄。通過利用過去幾十年在微處理器領域不斷完善的電源管理技術,包括以非常快的速度響應電源負載的快速瞬態(tài)響 應,Intersil 具備了得天獨厚的優(yōu)勢,能夠提供高效且功耗密集型的解決方案,通過單一、緊湊的集成型因數(shù)提高設備和系統(tǒng)的電池續(xù)航時間。
一、移動電話
1.移動電話設計框圖
消費者不斷要求智能手機和平板電腦支持更多功能和應用,這對設計提出了重重挑戰(zhàn),并加劇了市場競爭。Intersil 的數(shù)字電源平臺正在推動創(chuàng)新,以滿足當今最復雜的電源系統(tǒng)設計的要求。通過提供一流的電池管理、開關、LDO 和光傳感器等,Intersil 可提供手機設計所需的效率和穩(wěn)定性。
2.應用于移動電話的電源管理器件
1.電源管理
ISL78302A:帶低噪音、超高 PSRR 和低 IQ 的雙 LDO
ISL78302A應用框圖
2)多輸出控制器
ISL9440B:三重降壓 PWM 和單線性控制器(帶可編程軟啟動)
ISL9440B應用框圖
詳細資料:移動電話電源管理器件
二、手持 GPS
對用于通勤和一般導航的 GPS 設備而言,準確性和可靠性至關重要。Intersil 由電源管理、轉換器和接口產品組成的全面產品組合,配以軟件和高級開發(fā)工具,有助于開發(fā)值得消費市場信賴的多功能 GPS 解決方案。
1.手持 GPS設計框圖
2.應用于手持 GPS的電源管理器件
1)存儲器電源管理:線性穩(wěn)壓器
2)WLAN 電源管理:集成式 FET 穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器 - 應用特定
詳細資料:手持 GPS電源管理器件
三、游戲機
通過利用過去幾十年在微處理器領域不斷改善的電源管理技術,Intersil 可提供高效的功耗密集型解決方案,延長設備的電池壽命并推廣令消費者心動的新游戲產品。
1.游戲機設計框圖
2.應用于游戲機設計的電源管理器件
1)芯片集電源管理:多輸出控制器
ISL6227:帶DDR 選項的雙路便攜式 PWM 控制器
ISL6227應用框圖
詳細資料:游戲機電源管理器件
四、地面機頂盒 (NTSC/PAL)
Intersil 提供一系列電源模塊、控制器、穩(wěn)壓器等,為充滿競爭的消費市場開發(fā)尖端機頂盒設備。
1.地面機頂盒 (NTSC/PAL)設計框圖
2.應用于地面機頂盒設計的電源管理器件
1)電源管理器件
2)SLIC電源管理器件
詳細資料:地面機頂盒電源管理器件
五、數(shù)字視頻錄像機
Intersil 的視頻產品范圍從基本的構建模塊到全面的系統(tǒng)整合芯片;經優(yōu)化,可滿足數(shù)字視頻錄像應用的價格、性能和功能要求。我們的電源、LCD 和音頻/視頻解決方案旨在推動創(chuàng)新,并為新的視頻電子產品創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。
1.數(shù)字視頻錄像機設計框圖
2.應用于數(shù)字視頻錄像機設計的電源管理器件
1)存儲器電源管理器件
2)系統(tǒng)電源管理器件
詳細資料:數(shù)字視頻錄像機電源管理器件
文章詳情:消費電子產品電源管理解決方案
Intersil汽車級TFT-LCD電源管理方案
Intersil公司的ISL78010是汽車電子級TFT-LCD顯示器電源,它集成一個升壓轉換器和2A FET,兩個用來產生VON 和 VLOGIC的正向LDO,以及用來產生VOFF的負向LDO。升壓轉換能編程在P模式工作,以得到最佳的瞬態(tài)響應,或工作在PI模式,以改善負載的調整 率。本文介紹了ISL78010的主要性能,方框圖,升壓穩(wěn)壓器方框圖和典型的應用電路圖以及手提/便攜式顯示器應用方案(LCD/OLED)。
Intersil汽車級TFT-LCD電源
Intersil 公司的ISL78010 - 汽車級 TFT-LCD 電源 IC,是 AEC- Q100 級產品,完全符合 ISO/TS 16949:2002 的要求,其在汽車溫度范圍(-40oC~+105oC)內工作。它是一款高度集成的產品,可以提升性能,并降低跟為 7~15 英寸顯示器供電相關的成本。ISL78010 提供了增強型抗瞬變可靠性以及更高的電壓能力,可以避免發(fā)生轉換過程引起的雜散電容和寄生電感。ISL78010 為每條輸出通道都整合了排序、調節(jié)電荷泵、2A FET和故障保護功能。該集成不僅削減了成本,增加了可用板空間,并且元件數(shù)量的減少海改善了系統(tǒng)的總平均故障時間(MTBF)。而且,ISL78010 還擁有4條高度精確的輸出通道,從而實現(xiàn)了出色的性能。ISL78010 設計用于提供中型顯示面板所需的、高達20V的升壓電壓,采用 TQFP 封裝,可以改善防振可靠性以及適應電路板制造過程中引腳的肉眼檢查。
ISL78010主要特性:
2A電流FET
3V — 5V 輸入
高達20V的輸出電壓
精確至1%升壓輸出
VLOGIC-VBOOST-VOFF-VON or VLOGIC-VOFF-VBOOST-VON 時序控制
可編程序延遲
完善的故障保護
熱關斷
內部軟啟動
32 Ld 5x5的TQFP封裝
應用:所有的車載液晶顯示器
手提/便攜式顯示器應用方案 (LCD/OLED)
手提/便攜式顯示器應用方案
圖1 ISL78010方框圖
圖2 升壓穩(wěn)壓器方框圖
圖3 ISL78010應用電路圖
便攜式醫(yī)療應用的電源管理解決方案
在醫(yī)師辦公室或醫(yī)院內外診斷健康問題的便攜式醫(yī)療設備迅速增多。在將病人送往醫(yī)院之前,便攜式醫(yī)療保健設備可幫助醫(yī)療專業(yè)人士監(jiān)控生命體征、恢 復心臟跳動、利用超聲檢查體內狀況。便攜式醫(yī)療的目標是提供易于使用、可互操作并具有診斷價值的家庭醫(yī)療保健設備,以便將相關費用納入醫(yī)療保險范圍。這樣 就避免了醫(yī)院出診,降低了醫(yī)療成本。病人在家也可以使用便攜式醫(yī)療設備來監(jiān)控血壓、肺活量、血糖水平,以及記錄心臟事件。許多此類便攜式醫(yī)療設備都帶有 USB或無線數(shù)據(jù)連接,允許醫(yī)療專業(yè)人員在醫(yī)院和在家不間斷地監(jiān)控病人狀況。同時,Continua Alliance正在制定基于USB、Zigbee和藍牙標準的互通協(xié)議,這將加速上述通信接口的采用。對于采用電池供電的便攜式醫(yī)療設備,提高計算能 力、減小尺寸和延長運行時間的要求使得電源系統(tǒng)設計極具挑戰(zhàn)性。電源系統(tǒng)對電池大小、運行時間、待機時間、物料(BOM)成本和可靠性均有影響。
便攜式醫(yī)療系統(tǒng)所涵蓋的應用極其廣泛,包括血壓監(jiān)控、血糖儀、脈搏血氧儀和超聲應用等。一些應用要求硬件長時間工作,而另一些應用則要求較短的工作時間 和較長的待機時間。雖然終端應用千差萬別,但大多數(shù)便攜式系統(tǒng)都可以簡化為一系列核心功能:傳感器采集數(shù)據(jù),微處理器(帶專用軟件)分析數(shù)據(jù),存儲器存儲 軟件和數(shù)據(jù),以及數(shù)據(jù)連接用于訪問結果。圖1顯示了一個帶鍵盤和顯示器的典型手持式便攜系統(tǒng)。當連接市電時,便攜式系統(tǒng)必須能夠發(fā)揮最大處理能力,同時不 會產生過多熱量;當保持便攜狀態(tài)時,電池使用時間必須最大化。電池最長使用時間,即便攜式設備在需要充電或更換電池前所能工作的時間,取決于電源系統(tǒng)因 素,如電池容量、電源系統(tǒng)效率和電源管理軟件。只有充分利用所有這些因素降低電池消耗,才能使電池壽命達到最長。大多數(shù)高性能便攜式系統(tǒng)采用3.6V標稱 輸出的鋰離子充電電池供電。
便攜式系統(tǒng)包含多個集成電路,各集成電路都有自己的優(yōu)化半導體工藝和工作電壓要求。便攜式應用的IC采用比 電池更低的工作電壓,因此需要使用降壓調節(jié)器。當今最常用的調節(jié)器是低壓差(LDO)和降壓型開關調節(jié)器,如圖2所示。LDO由基準電壓源、誤差放大器、 分壓器和傳輸管(pass transistor)組成。低壓差調節(jié)器只需使用兩個外部電容就能用較高直流電壓產生較低直流電壓,十分簡便。不過,當Vin遠高于Vout時,LDO 效率低下,這是因為未輸送到負載的功率會以熱量形式損失。LDO效率約為(Vo/Vin)×100%。LDO無法儲存大量未使用的能量,因此未輸送到負載 的功率以熱量形式在LDO內部耗散。例如,連接到3.6V電池的2.6V LDO的效率為72%。此外,當要求LDO最大程度地省電時,必須檢查其靜態(tài)電流和使能功能。當系統(tǒng)處于正常工作模式與休眠模式之間的空閑模式時,低靜態(tài) 電流(Iq)可以減少系統(tǒng)的功耗,從而提高系統(tǒng)的自主性。使能輸入引腳允許LDO關斷,使休眠模式下的功耗不到1 μA,從而延長電池使用時間。例如,ADP150就是一款出色的低靜態(tài)電流LDO。
圖1. 通用手持便攜式系統(tǒng)
當電源電壓比工作電壓高得多時,開關DC/DC轉換器是更好的選擇,它能夠實現(xiàn)更高的效率,因為在將一個直流電壓轉換為另一個直流電壓時,它能夠將能量 臨時儲存在電感的磁場中,然后釋放給負載。便攜式開關調節(jié)器以500 kHz到3 MHz的頻率工作。DC/DC開關轉換器有多種拓撲結構。內置開關元件的同步降壓型調節(jié)器用于輸出電壓遠低于輸入電壓的場合,在便攜式系統(tǒng)中最為常用。用 降壓調節(jié)器替換LDO可以提高系統(tǒng)效率。例如,當利用LDO將系統(tǒng)電壓從3.6 V降至1.2 V,為負載電流為300 mA的微處理器內核供電時,LDO效率約為1.2V/3.6V × 100% = 33%,67%的輸入功率以熱量形式損失。為了提高效率并降低工作溫度,應當用ADP2108等降壓轉換器取代LDO。降壓轉換器能將能量儲存在電感的磁 場中,因而效率更高。使用ADIsimPower?可知,在相同條件下ADP2108的效率為80%,比LDO提高47%。設計工程師會發(fā) 現(xiàn),ADP2108尺寸較小,僅使用兩個去耦電容和一個1 μH芯片電感,幾乎可以直接取代LDO。選擇降壓轉換器時需要考慮的其它省電特性包括:低靜態(tài)電流、使能功能以及負載電流較小情況下的省電模式。
圖2. LDO和降壓轉換器的功能框圖
為使電池使用時間達到最長,除了優(yōu)化便攜式系統(tǒng)硬件效率以外,還必須優(yōu)化電源管理軟件。運行復雜的專用軟件對計算能力提出了更高要求,需要使用高耗電量 的高速微處理器。降低處理器速度可以降低功耗,延長電池運行時間,但軟件性能會下降。系統(tǒng)架構師可以通過選擇最適合應用的處理器速度來提高系統(tǒng)效率。便攜 式系統(tǒng)的另一種省電方法是關斷不用的子系統(tǒng),如微處理器、顯示器背光、數(shù)據(jù)端口和處于測量間隙的傳感器,使用調節(jié)器的使能輸入或 ADP190/ADP195等負載開關來隔離電池,如圖1所示。
設計便攜式電源系統(tǒng)時,并不存在萬用的解決方案。延長電池使用時間的方法有許多種,某種方法可能優(yōu)于其它方法。本文所述的技術同時適用于便攜式和市電供電的醫(yī)療設備,能夠提高系統(tǒng)效率,降低內部溫度和運行成本。
作者簡介
Ken Marasco是ADI公司電源管理部便攜式電源系統(tǒng)應用經理,負責便攜式電源產品的技術支持工作。他畢業(yè)于紐約理工學院(NYIT),獲得應用物理學學位,擁有35年的系統(tǒng)和器件設計經驗。
新興電源應用的電池管理解決方案
1.電池管理系統(tǒng)概述
在便攜式應用中,空間是極其重要的。TI提供的高級解決方 案采用QFN和晶圓級芯片規(guī)模封裝并具有很高的集成度,旨在縮減解決方案的外形尺寸。除了減少板級空間占用之外,許多此類解決方案還降低了功率耗散并提高 了總體效率。TI的電池管理解決方案可支持多種電池化學組成和電池單元數(shù)量,從普遍使用的鋰離子電池(Li-Ion)技術到業(yè)界標準的鎳氫電池 (NiMH)和鉛酸電池等。TI的相關產品支持廣泛的應用,例如:移動電話、智能手機、平板電腦、便攜式消費設備、便攜式導航裝置、筆記本電腦以及諸多工 業(yè)和醫(yī)療應用等。TI擁有與您的設計規(guī)范相匹配的電池管理器件,另外,我們還提供了可幫助您的設計更快面市所需的評估板、應用手冊、樣片和數(shù)據(jù)表。
2.設計因素
電池化學組成- 每種電池化學組成具有不同的工作特性,例如:放電模式和自放電速率。TI的電池電量監(jiān)測IC是按照電池化學組成開發(fā)的,以補償這些差異,從而準確地顯示電 池中的剩余電能。而且,每種電池化學組成對其充電算法都具有獨特的要求,這對最大限度地擴充其容量、延長電池使用壽命以及提高安全性至關重要。
充電控制拓撲結構- 簡單的線性拓撲結構非常適合于充電電流小于1A的低功率電池組(例如:單節(jié)或兩節(jié)鋰離子電池)應用。開關模式拓撲結構則理想適用于依靠USB端口執(zhí)行的快 速充電或者那些要求充電速率大于1A的大型電池組。開關模式轉換可將充電過程中產生的熱量減至最少。無線電源拓撲結構采用共有磁場,以提供非接觸式功率傳 送的優(yōu)勢。無線充電為便攜式設備提供了一種額外的電池充電選項,也可作為其他5V充電電源的替代方案。
輸入電壓-IC寬闊的輸入電壓范圍和輸入過壓保護不僅能實現(xiàn)最高的安全性,同時還能允許使用低成本的未穩(wěn)壓墻式適配器。
串接電池的數(shù)量-電池組由一串串聯(lián)和并聯(lián)的電池所構成。對于每個串聯(lián)電池或并聯(lián)電池組都必需提供針對過度充電、過度放電和短路狀況的保護作用。
電池管理
3.電池管理解決方案
1)新興電源應用之太陽能充電
光伏技術業(yè)已取得重大進步,目前能夠從太陽實現(xiàn)更具成本效益和高效率的能量收集。如今的大多數(shù)太陽能收集均使用高功率設施,這些設施負責向家庭或商業(yè)樓 宇提供補充的交流(AC)功率,且通常與公用電網相連。然而,現(xiàn)實中的許多設備和裝置仍未與電網相連接,或者電網本身可靠性欠佳,再或者與交流電源的連接 完全不切實際。在這些應用中,利用太陽來給那些負責為離網應用供電的電池實施充電是一種更為實用的解決方案。對于此類應用而言往往需要在成本與光伏效率之 間進行權衡。既要最大限度地增加可從太陽能板獲取的功率,同時也必需兼顧總體系統(tǒng)的成本和尺寸。
下面的示意圖給出了兩個低成本太陽能充 電器應用的實例,其中,電池充電器與簡單的電路實現(xiàn)了集成(以最大限度地提高太陽能板的功率點),并且與用于負載調節(jié)的電路進行了集成。通過增設諸如 LED驅動器等器件,即可開發(fā)簡單的太陽能街燈或太陽能燈籠。由一個USB開關和一個升壓型轉換器構成的實現(xiàn)方案能夠形成一種適合便攜式設備的簡單的太陽 能充電器。其他應用可實現(xiàn)用于太陽能供電風扇或泵類的電機驅動器。這些只是TI新型太陽能充電器IC系列所能實現(xiàn)的諸多應用選項當中的一小部分而已。
太陽能充電應用框圖
2)新興電源應用之混合動力汽車(HEV)電池管理
電池管理電池管理系統(tǒng)(BMS)是HEV整體架構中的要素之一。智能型實現(xiàn)方案不僅能夠延長電池的使用壽命,而且還有望延長汽車采用純電力驅動模式時的 行駛距離,對于最終用戶來說這是一個關鍵的賣點。BMS模塊需要具有電池監(jiān)控和電池電量平衡特性,常常通過不同的通信路徑進行連接以確保系統(tǒng)冗余度。另 外,內置的溫度管理功能電路對于系統(tǒng)的壽命及安全性來說也是一個至關重要的因素。完整的BMS代表了一種安全關鍵程度很高的功能;因此,可靠的通信和準確 的數(shù)據(jù)測量是不可或缺的。
混合動力汽車電池管理
3)新興電源應用能量收集
由于人們正在開發(fā)各種新型的可替代(離網)能源,因而需要用于收集、存儲和調節(jié)此類電能的電源管理技術。來自諸如光伏板、動力(振動)MEMS和熱電元 件(利用了帕爾貼[Peltier]、湯姆遜[Thompson]或塞貝克[Seebeck]效應)等能量源的能量提出了一項挑戰(zhàn),就是如何將超低的“毫 微”級功率轉換至更加可用的水平、并將此能量存儲起來以供日后之用。TI持續(xù)不斷地開發(fā)旨在應對這些能量收集難題的新型電源管理IC,包括超低功耗器件, 如LDO和高效升壓型轉換器及電池充電器。這些電源管理器件進一步完善了TI的低功耗MCU及射頻(RF)、放大器和傳感器IC產品線——從而為利用新型 超低功率可替代能源供電的系統(tǒng)提供了一種整體解決方案。
能量收集應用框圖
4)無線電源
作為最早推出符合Qi標準之器件的廠商,TI是新型無線電源市場的領導者。無線電源聯(lián)盟(WirelessPowerConsortium)目前的會員超過81個,TI便是其中之一。該聯(lián)盟正在制定使用Qi標準來實現(xiàn)可互操作型無線充電的國際標準。
bqTESLA芯片組使得客戶能夠為其電子設備提供高達5W的功率,因而符合Qi標準。目前,組成bqTESLA芯片組的發(fā)送器和接收器解決方案已經達 到了規(guī)模生產的要求。bqTESLA接收器系列包括bq51013和bq51011,可輸出5V電壓并利用嵌入式通信技術提供閉環(huán)控制。軟件已被寫入器 件,故而無需進行軟件編程。bqTESLA發(fā)送器系列包含bq500210和bq500211,可操作和控制符合Qi標準的無線電源功能。
TI相關電源管理產品:
適用于太陽能的BQ24650評估模塊同步開關模式電池充電控制器
TPS61202:采用 3x3 QFN 封裝、具有 1.3A 開關和“降壓模式”的 0.3V 輸入電壓升壓轉換器
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