簡化電源管理的方法和技術(shù)指導

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。這一趨勢進一步引發(fā)業(yè)界對電源管理的要求不斷提高。

當前，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準（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‘待機功耗’標準。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)備必須實施精細的工程設(shè)計。盡管組件的選擇很重要，但設(shè)計不當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)和簡單的補償并結(jié)合強大的故障保護功能，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致無線充電日漸普及。自電源相關(guān)標準誕生以來，提升功率水平這項工作從未停止，即使新的標準規(guī)范才開始實施。無線充電聯(lián)盟（WPC）制定的最新QiExtended Power標準，將功率從5W提高到15W。為支持這一新標準的實施，意法半導體（ST Microelectronics）推出一款先進的無線充電發(fā)射芯片STWBC-EP，可以最低待機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機和USB數(shù)據(jù)線)，以及預裝固件。

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標準，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)提供正負電壓輸出。TPS7A39的正負輸出可獨立調(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。