電源管理的智能化之路

電源管理技術(shù)作為電氣化時代各行各業(yè)發(fā)展必不可少的一項技術(shù)，是提升終端設(shè)備能效的主要途徑。從系統(tǒng)層面看，電源管理系統(tǒng)讓設(shè)備實現(xiàn)了穩(wěn)定性、低功耗、高性能，在節(jié)能減排的大趨勢下，這項優(yōu)勢會愈發(fā)突出；從器件層面看，電源管理芯片和模擬芯片等器件負責(zé)系統(tǒng)中電能的轉(zhuǎn)換、配電、檢測和其他電源管理，性能的優(yōu)劣將通過電源管理系統(tǒng)真實地反饋在設(shè)備性能上。

當(dāng)前，在半導(dǎo)體、通信、傳感等技術(shù)的帶動下，各行各業(yè)都在經(jīng)歷智能化的蛻變，設(shè)備的結(jié)構(gòu)、技術(shù)、系統(tǒng)變得十分多元化，電能的使用場景更為復(fù)雜，智能化也成為衡量電源管理系統(tǒng)的一項核心指標(biāo)。

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

電源管理的智能化發(fā)展

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

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

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

1 電源管理系統(tǒng)的主要功能

電源管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下四種功能，分別是電池系統(tǒng)監(jiān)測、休眠電源管理、靜態(tài)電源管理和動態(tài)電源管理。

電池系統(tǒng)監(jiān)測

電池系統(tǒng)監(jiān)測在BMS電池管理系統(tǒng)中是一項重要功能，面向的領(lǐng)域主要是新能源汽車和儲能系統(tǒng)等。這部分的智能化水平主要體現(xiàn)在對單電池和整個電池系統(tǒng)的主要參數(shù)的實時采集和監(jiān)控，以及通過聯(lián)網(wǎng)功能在系統(tǒng)界面動態(tài)呈現(xiàn)。

休眠電源管理

休眠電源管理是系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗時所需的一項創(chuàng)新技術(shù)。這里說的“休眠”是一個籠統(tǒng)的描述，包括睡眠、休眠、待機、混合睡眠等多種狀態(tài)，這個時候系統(tǒng)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(tǒng)工作的狀態(tài)。休眠電源管理的智能化要求電源管理系統(tǒng)對所有用電設(shè)備具有精細化的監(jiān)控和管理，能夠和系統(tǒng)算法配合逐步關(guān)閉一些不需要用電的功能單元。

靜態(tài)電源管理

靜態(tài)電源管理中有一個非常重要的概念，那就是靜態(tài)電流（IQ），是實現(xiàn)系統(tǒng)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(wěn)壓器，只提供nA級別的靜態(tài)電流，以實現(xiàn)系統(tǒng)的超低功耗。靜態(tài)電源管理是在系統(tǒng)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(xié)作。在電源管理系統(tǒng)中，除去靜態(tài)電流的系統(tǒng)就是最小系統(tǒng)，兩者同時實現(xiàn)低損耗，便能夠進行更長久的系統(tǒng)待機。

動態(tài)電源管理

動態(tài)電源管理是在系統(tǒng)工作的狀態(tài)下對系統(tǒng)功耗進行優(yōu)化。由于智能化系統(tǒng)的負載是不斷變化的，動態(tài)電源管理的智能化就體現(xiàn)在電源管理系統(tǒng)對主要耗電的計算、傳感和通信三大系統(tǒng)都有精細化的調(diào)整能力，能夠調(diào)整系統(tǒng)的工作電壓和頻率，從而優(yōu)化系統(tǒng)的功耗水平。同時，動態(tài)電源管理的智能化還要求負載調(diào)節(jié)電路能夠動態(tài)調(diào)整，消除尖峰電流和過壓等危險因素對系統(tǒng)的損害，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 電源管理系統(tǒng)的組成

在電源管理系統(tǒng)的組成上，除了我們熟知的電源管理IC外，放大器、線性產(chǎn)品、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及隔離器等器件也是打造智能、高效電源管理系統(tǒng)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(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)起到了重要作用。為了滿足整個電源管理系統(tǒng)的智能化發(fā)展，這些器件都逐漸向著動態(tài)可調(diào)方向靠攏，例如數(shù)模轉(zhuǎn)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(tài)、動態(tài)、休眠以及電池系統(tǒng)監(jiān)測四個方面講述了電源管理系統(tǒng)的智能化發(fā)展趨勢，接下來我們就從元器件角度出發(fā)，看看貿(mào)澤電子在售的這些出色的元器件是如何助力實現(xiàn)智能化電源管理系統(tǒng)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。

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(jiān)控器，具有出色的低功耗產(chǎn)品特性，其低電源電壓VS為1.7V-5.5V，低關(guān)斷電流為100nA（最大值），低靜態(tài)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(tài)、動態(tài)、休眠電源管理的智能化發(fā)展時，我們曾多次提到系統(tǒng)電流檢測和動態(tài)調(diào)整，INA191在這些方面具有明顯的性能優(yōu)勢。INA191常被用于過流保護、針對系統(tǒng)優(yōu)化的精密電流測量或閉環(huán)反饋電路，該器件通過多項優(yōu)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(yōu)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(diào)電壓為±12μV（最大值），失調(diào)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(yōu)勢：低阻值的并聯(lián)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(yīng)用的功率效率。

圖1：INA191應(yīng)用于高邊/低邊電流檢測

如圖1所示，INA191支持從–0.2V到+40V的輸入共模電壓。由于內(nèi)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(yīng)用。

我們說智能化的電源管理系統(tǒng)需要相關(guān)器件動態(tài)可調(diào)，這在INA191同樣有所體現(xiàn)，INA191零漂移架構(gòu)的低偏移電壓擴展了電流測量的動態(tài)范圍，讓電源管理系統(tǒng)能夠更好地響應(yīng)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(tǒng)在進行功耗動態(tài)調(diào)整時，會涉及到電壓的調(diào)整和監(jiān)控，電壓基準在這個過程中發(fā)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(mào)澤電子上的制造商編號為REF3430QDGKRQ1。

智能化電源管理系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整的前提是系統(tǒng)具有極高的精準度，高精度是REF34xx/REF34xx-Q1器件的特征優(yōu)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(wěn)定性，還具有5μVp-p/V的極低輸出噪聲，因此能夠在噪聲關(guān)鍵系統(tǒng)中通過高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器保持較高的信號完整性，這對于電源管理系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)高精度動態(tài)調(diào)整非常關(guān)鍵。

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

圖2：REF34xx/REF34xx-Q1器件應(yīng)用簡圖

通過圖2能夠看到，REF34xx/REF34xx-Q1器件與制造商TI提供的大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器兼容，如ADS1287、ADUCM360、ADS1112和ADS7828等，使得電源系統(tǒng)設(shè)計更為靈活。

支持軟啟動的μModule穩(wěn)壓器

實際上，軟啟動就是一項電源管理系統(tǒng)的智能化功能。在軟啟動或者延時啟動出現(xiàn)之前，系統(tǒng)上電時出現(xiàn)的浪涌電流極易造成設(shè)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(tài)，杜絕了主變壓器和輸出電感的飽和效應(yīng)。

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(wěn)壓器，來自制造商ADI，貿(mào)澤電子上的制造商編號為LTM4658IV#PBF。

LTM4658降壓型直流/直流μModule穩(wěn)壓器

LTM4658基于Silent Switcher 2架構(gòu)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(wěn)壓器方案，封裝中包含開關(guān)控制器、電源MOSFET、電感器和所有支持元件。

圖3：LTM4658典型應(yīng)用電路

（圖源：ADI）

通過圖3能夠看到，該器件的典型應(yīng)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(shè)計可實現(xiàn)10A連續(xù)輸出電流。

LTM4658非常適用于打造智能化的電源管理系統(tǒng)，能夠在2.25V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)提供0.5V至5.5V的精確調(diào)節(jié)輸出電壓，采用電流模式控制，可實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，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?qū)崿F(xiàn)比強制連續(xù)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(jiān)控。

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

智能化讓電源管理全面升華

當(dāng)前，綠色節(jié)能在全球范圍內(nèi)都是主旋律。浪費資源和高功耗的應(yīng)用方案終將節(jié)能環(huán)保的創(chuàng)新方案所取代，在市場競爭中取得領(lǐng)先優(yōu)勢。這樣的進步離不開高度智能化的電源管理系統(tǒng)。

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

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


審核編輯：劉清