如何為嵌入式系統(tǒng)選擇實用的電源管理技術(shù)？

本刊編輯部

引 言

電源管理是永遠(yuǎn)不會過時的話題，尤其在物聯(lián)網(wǎng)時代，低功耗需求更加迫切，工程師們也在不斷尋求降低功耗的方案。各種移動終端、可穿戴設(shè)備、消費類電子產(chǎn)品、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等典型嵌入式設(shè)備對能耗越來越敏感，電源管理技術(shù)正成為這些產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵所在。電源管理技術(shù)正由傳統(tǒng)的基于電源管理器件和外設(shè)控制為主的靜態(tài)控制方式，轉(zhuǎn)為以具備智能電源管理功能的嵌入式微處理器結(jié)合操作系統(tǒng)為核心的智能管理軟件的動靜態(tài)結(jié)合的綜合控制模式。

那么在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，又有哪些實用的電源管理技術(shù)可以使產(chǎn)品更加具有競爭力呢？我們又該如何進(jìn)行選擇呢？

業(yè)界聲音

TI新專利降低產(chǎn)品待機功耗

TI高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示，目前閑置裝置所消耗的電量，相當(dāng)于50個大型電廠的年發(fā)電總量。另外，有12%～18%的家電或電子產(chǎn)品，即便沒有在使用，也是會有電能損耗，因此，消費性電子市場對于低待機電力的高效電源需求量很大。所以TI希望推出一款控制器能夠讓設(shè)計人員用更少的電力執(zhí)行更多的操作，滿足未來的電源需求，實現(xiàn)簡化設(shè)計及降低系統(tǒng)成本。

近日，TI推出新款整合式高壓閘極驅(qū)動器的新型LLC諧振控制器UCC256301。這款諧振控制器能滿足各種AC/DC應(yīng)用的嚴(yán)格能效標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)位電視、游戲轉(zhuǎn)接器、桌上型電腦和筆記型電腦轉(zhuǎn)接器及電動工具充電器等。UCC256301作為新型高效能LLC控制器系列中的首款產(chǎn)品，當(dāng)系統(tǒng)處于全調(diào)節(jié)輸出狀態(tài)時，其可提供小于40 mW的待機電力，同時還可以保證效能仍高于產(chǎn)能需求；它還具備快速的瞬態(tài)回應(yīng)和健全的故障保護功能，避免終端設(shè)備在使用期間遇到斷電等突發(fā)情況。

此外，該產(chǎn)品采用混合遲滯控制技術(shù)，這是TI一項新的專利控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)10倍速度的瞬態(tài)回應(yīng)，并將輸出電容降低20%，進(jìn)而加快系統(tǒng)回應(yīng)時間。同時，該控制器還超越了行為準(zhǔn)則(CoC)第二階段(Tier2)及美國能源部(DoE)6級效能標(biāo)準(zhǔn)，在負(fù)載10%時，效率仍高達(dá)90%以上，實現(xiàn)更低的待機電力。

安森美半導(dǎo)體讓移動電源也智能

收購Fairchild后，安森美半導(dǎo)體在電源管理IC市場中的優(yōu)勢更加明顯。安森美半導(dǎo)體不斷跟隨市場發(fā)展趨勢，研發(fā)迎合市場需求的產(chǎn)品。現(xiàn)在移動電源成為很多消費者的必備產(chǎn)品，但僅僅具備簡單充電功能的移動電源，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足消費者的期望，能夠快速充電的電源產(chǎn)品才更受歡迎。

安森美半導(dǎo)體為了滿足這種需求推出了單芯片移動電源方案LC709501F，可實現(xiàn)功能豐富且更具差異化特性的智能移動電源產(chǎn)品，智能且支持快充，幫助移動電源供應(yīng)商在市場競爭中處于有利地位。

LC709501F支持通過USB 2.0全速主機控制器獲取移動電源電池信息(如1% 步進(jìn)剩余電量)、電池溫度、電池電流及電池健康指標(biāo)(電池充放電周期數(shù))，提供電池信息數(shù)據(jù)顯示App用于移動設(shè)備，讓用戶通過移動設(shè)備隨時知悉所攜帶的移動電源的各項指標(biāo)，會大大提升用戶體驗。

只要基于LC709501F的移動電源被連接到移動設(shè)備(如智能手機)，應(yīng)用程序就自動啟動，移動電源的詳細(xì)運行信息及關(guān)鍵參數(shù)將顯示在智能手機的屏幕，如移動電源電池剩余電量及動畫運行、移動電源電池使用時間、剩下的充電時間、電池溫度、快充開關(guān)按鈕等，并且該方案還支持移動電源供應(yīng)商在該App界面顯示其公司Logo。

傳統(tǒng)的移動電源方案通常包括微控制器(MCU)、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、USB檢測模塊和充電穩(wěn)壓模塊等多個元件，需要很長的設(shè)計周期，并且還需要軟件來處理邏輯和控制功能。LC709501F 將多個元件集成到單個芯片，減少了元件數(shù)，實現(xiàn)了緊湊的、超薄的高性能系統(tǒng)，支持平臺設(shè)計，外置的FET還可擴展充電能力。

納微半導(dǎo)體用新材料應(yīng)對電源產(chǎn)品挑戰(zhàn)

納微(Navitas)半導(dǎo)體公司是2014年新成立的公司，是世界首個且唯一的GaN功率IC企業(yè)。公司發(fā)布的新產(chǎn)品AllGaN功率IC，可以大大降低筆記本電腦電源適配器的重量。與硅類功率器件開關(guān)速率和能源效率成反比不同，GaN功率IC在提高開關(guān)速率的同時，效率不僅沒有降低，還有略微提升。這是因為與傳統(tǒng)硅類功率器件相比，基于GaN的功率器件具有導(dǎo)通電阻低和能夠進(jìn)行高頻操作等特性，這些特性恰恰有利于提高電源單元轉(zhuǎn)換效率，并使電源單元更加緊湊，所以通過GaN功率IC就可以同時獲得無與倫比的速率和效率。

如果筆記本電源適配器選用硅類功率器件，尺寸大約為6～7英寸，重量大約為300 g，但如果采用AllGaN功率IC，65 W的新設(shè)計體積僅為2.7英寸，重量僅為60 g，因為AllGaN功率IC可以縮小變壓器、濾波器和散熱器的尺寸。除此之外，如果使用其他GaN功率器件，設(shè)計中還需要許多元器件、復(fù)雜的電路，而使用AllGaN功率IC，則可以省去很多驅(qū)動部分設(shè)計，更易于使用。

ZLG致遠(yuǎn)電子給出的選擇建議

嵌入式工程師在日常電路設(shè)計中可以從以下角度考慮電源模塊。

① 隔離還是非隔離？

從隔離的目的來說，可以將隔離分為安全隔離和噪聲隔離兩大類。由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，在硬件設(shè)計中，經(jīng)常會遇到多電壓供電、數(shù)?；旌稀⒏咚俚退傩盘柾宓葟?fù)雜的情況，處理稍有不慎，就會引入干擾，輕則降低產(chǎn)品性能，重則干擾通信甚至引起系統(tǒng)重啟、癱瘓等。此時，隔離就顯得尤為重要，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，一般都會選擇使用隔離電源模塊對PCB不同區(qū)塊進(jìn)行隔離供電，最大限度上減少噪聲干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

另外，在含有工業(yè)總線的嵌入式系統(tǒng)中，常常會面臨浪涌、電弧干擾、雷擊等惡劣環(huán)境，因此需要將總線部分和嵌入式系統(tǒng)部分進(jìn)行安全隔離。隔離不僅能消除接地環(huán)路的干擾，還能阻隔外界惡劣環(huán)境因素影響通過總線進(jìn)入核心系統(tǒng)，保證核心系統(tǒng)安全。

② 性能優(yōu)先還是成本先行？

性能和成本，讓多少工程師面臨兩難的選擇，多少辛辛苦苦做的方案，由于成本問題不得不放棄。是為了性能不顧成本？還是為了成本犧牲性能？怎樣平衡性能和成本，這是在產(chǎn)品設(shè)計中亙古不變的話題。

對于同樣輸入/輸出電壓的DC/DC電源模塊來說，輸出功率和工作溫度范圍是影響其成本的主要因素。電子器件工作溫度范圍一般分為：商業(yè)級(0～70 ℃)、工業(yè)級(-40～85 ℃)、車規(guī)級(-40～105 ℃)、軍品級(-55～125 ℃)等。由于溫度等級不同，對材料和制造工藝的要求不同，模塊成本就相差很大了。

如果在體積(封裝形式)一定的條件下實際使用功率已經(jīng)接近模塊額定功率，那么模塊標(biāo)稱的溫度范圍就必須嚴(yán)格滿足實際使用需求甚至略有余量。如果由于成本考慮選擇了較小溫度范圍的產(chǎn)品，實際使用溫度已經(jīng)逼近模塊極限溫度的情況，怎么辦呢？這時可以采用降額使用的辦法，即選擇功率或封裝更大一些的產(chǎn)品，這樣“大馬拉小車”，溫升低，能夠從一定程度上緩解這一矛盾。

總之要么選擇寬溫度范圍的產(chǎn)品，功率利用更充分，封裝也更小一些，但價格較高；要么選擇一般溫度范圍產(chǎn)品，價格低一些，功率余量和封裝形式就得大一些。

③ 功率余量留多少？10%、20%還是30%？

設(shè)計余量一個讓人又愛又恨的指標(biāo)。余量設(shè)計的本質(zhì)是預(yù)防意外，它雖然與品質(zhì)無關(guān)，但余量設(shè)計不足會存在質(zhì)量問題的隱患，余量設(shè)計過大又會造成成本的升高。

由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性，負(fù)載也具有多樣性，有的是阻性負(fù)載，有的是感性或容性負(fù)載，有的負(fù)載較穩(wěn)定，有的負(fù)載波動較大，有的甚至還會有空載、或滿載、或瞬間負(fù)載變大、或瞬間負(fù)載跌落的情況發(fā)生，這給確定電源模塊的功率等級造成一定的難度。

一般情況下，負(fù)載電流的大小是決定功率的關(guān)鍵因素，考慮到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和抗意外能力，建議根據(jù)實際情況，最小預(yù)留20%的設(shè)計余量，即實際使用中最大功率不超過電源模塊額定功率的80%，在這個功率范圍內(nèi)電源模塊各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。

對于波動較大的負(fù)載，設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足峰值電流不超過電源模塊最大承受范圍的基本原則，再根據(jù)負(fù)載波動的頻率適當(dāng)?shù)丶哟笤O(shè)計余量，盡量提高可靠性。

④ 隔離電壓是否越大越好？

隔離電壓是隔離型DC/DC電源模塊的一個重要指標(biāo)，隔離電壓等級越高，電源模塊內(nèi)部的保護器件和設(shè)計工藝要求就越高，從根本上講，就是成本越高。那么怎樣選擇合適的隔離電壓呢？

電源模塊的隔離電壓需要根據(jù)應(yīng)用場合來選擇。一般場合使用對電源模塊隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，加之嵌入式系統(tǒng)核心器件集成度高，封裝小，相對比較脆弱，因此一般業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500 V DC或以上。但在一些特殊的行業(yè)，比如醫(yī)療、戶外通信基站、高壓電力等，對電源模塊的隔離度要求則更高。

編輯視角

移動設(shè)備對于電源的要求越來越多，希望小型化、集成化、智能化、更低的靜態(tài)電流等所以很多電源管理IC廠商正在采用模塊化的方式來處理電源管理IC的各種問題，所以其體積越來越小、功耗越來越低，但是在縮體積、降功耗的同時也要防范電源管理帶來的安全問題。