实现更智能的电源转换、管理

文章作者:Mark Patrick

推动电子产品以物联网的规模进行连接的部分原因是，连接性越强，控制力就越强。虽然这对不同的人意味着不同的事情，但人们对物联网将带来对电力使用方式更大的控制抱有很高的期望。这与全球公认的通过提高产品能效来节约能源的动力相吻合，《G20能效行动计划》就是一个例证。
欧洲各地的区域立法已经就位，以执行2020年的目标(其中包括能源效率提高20%)，更多的法律法规正在制定中。这给原始设备制造商带来了遵守能效新标准的压力，而这反过来又推动了半导体制造商的创新。
物联网有机会通过加强对能源使用的控制，在实现这些目标方面发挥关键作用。这可以从建筑管理系统根据占用情况自主控制大型建筑的HVAC，到允许业主使用智能设备远程调节他们的供暖和照明。从概念上讲，同样的原理也适用于服务器等设备，这些设备在执行有用的任务之间至少要花费一些正常运行时间。就像“启停”技术现在被用于车辆一样，同样的方法也可以用于电子设备，从而积累大量的节省成本。
在欧盟，能源效率指令可能涵盖许多将构成物联网“I”部分的产品;数以百万计的交换机和服务器将有效地提供所有(数十亿)节点之间的连接。虽然(目前)没有任何法律明确适用于将处于物联网边缘的实际节点，但有法律涵盖了主电源产品在“待机”和“关机”模式下允许使用的功率，最近，该公司也通过立法加入了类似的联网产品(分别是《能源效率指令2012/27/欧盟第6批次和第26批次》)。这意味着，随着设备在工作方式上变得“智能”，它们在休息方式上也必须变得更智能。
权力的新范式
本世纪初，功率密度范式冲击了半导体行业，导致了集成设备设计方式的巨大转变，特别是基于CMOS工艺的数字设备。减少微处理器有功功率的努力是由晶体管结处可能散发的热量驱动的。因此，现代设备都具有低功率运行模式。这些将被用来实现物联网，特别是在电池供电的设备或可能使用从其操作环境中获取的能量的设备中。
然而，仍有可能有更多的设备将直接或间接地由主电网供电。电力转换一直是一个领域，在转换效率上的小改进就能大大节省运行成本。随着能源监管的出现，这不再是一个降低大型设备运行成本的案例，而是将日常设备的能源需求降至最低，包括家庭周围的白色家电。
将电源从高压交流电源转换为一系列低压直流电源会产生固有的损耗，但是在入口可能发生的损耗是不涉及转换的。相反，用于提供安全放电路径的电源上的无源组件也会呈现泄漏路径，除非物理断开，否则泄漏路径将始终存在。在过去，这可能被视为不可避免的损失，但电力集成公司的一个设备有效地将这些损失降低到零。
cap0 -2系列中的CAP200DG横跨交流电源(图1)，在正常运行时阻断X电容安全放电电阻(R1和R2)中的电流。这将功率损耗降低到小于5mW，或者，正如IEC 62301条款4.5将低于5mW的备用功率舍入为零，它在230VAC下完全消除了损耗。

图1:CAP200DG框图。

当交流电压被移除时，通过电阻的路径被重新建立，允许X电容完全放电，甚至低于公布的SELV(安全特低电压)值。这意味着CAP200DG零损耗自动X电容放电IC也可以用于输入电压低至18VAC的应用。
超过立法
根据EuP Lot 6的定义，在待机模式下实现少于0.5W的功率，现在由供应商提供的一系列电源控制器辅助。通常，这些将集成功率因数校正(PFC)，并可能包括其他功能。一个例子是NXP的TEA1716T，一种带有PFC的谐振电源控制器;实现作为一个多芯片IC，还集成了半桥谐振变换器(HBC)。该器件可以驱动一个上变频器中的离散MOSFET和两个谐振半桥配置的离散功率MOSFET。
它的目标是提供90W和500W之间的电源供应，从70VAC到276VAC。它需要很少的外部组件，可以设计为独立模式或与外部直流电源一起工作。
在TEA1716T中，PFC和HBC控制器都被设计为在突发模式下工作，在这种模式下，控制器先“开”一段时间，然后“关”一段时间。突发模式可以在低负载条件下提高电源的效率。
HBC电路将来自PFC的400V升压转换为一个或多个稳压直流输出电压，并驱动外部mosfet。同时显示漏感和磁化感的变压器与谐振电容和输出负载构成谐振电路的一部分。由HBC电路驱动的外部mosfet以半桥结构连接到谐振电路。
器件采用先进的自适应非重叠定时方法，提供更高的切换效率，帮助器件满足EuP Lot6规范。它还保证了即使在故障情况下也能安全切换。其他安全功能包括高频保护，保护免受断开变压器的影响，以及过流调节和保护功能。总的来说，有19个保护功能集成到TEA1716T。

图2:典型的应用程序。

可编程性的力量
可编程性已成为现代控制系统的关键要素，电源管理也不例外。为了满足更高效率的需求，复杂性水平已经提高，不仅提供了更高的效率，而且提供了更大的可配置性。
智能电源管理设置为在所有应用程序中都占主导地位，这些设备将满足该要求的卷现。电源管理控制器（PMCS）如何集成更多可配置性的一个示例是用于从STMicroelectronics的电力转换的STNRG系列数字控制器系列。它包括STNRG328A，与家庭中的其他人一样，具有STMicroelectronics调用状态机事件驱动（SMED）技术的特点。这使得一个设备能够产生六个独立配置的PWM时钟，最大分辨率为1.3ns。这种自主状态机器能够对内部定时器和外部事件（例如峰值电流，过电流或零交叉）作出反应。如何使用的典型示例可以是峰值电流检测降压转换器，其配置有由计时器设置的常数OFF时间。虽然它由集成的微控制器配置，但转换器将能够在没有任何进一步的软件干预的情况下运行。

图3:系统架构。

6个可用SMED状态机中的每一个都包括在正常操作期间使用的4个状态，以及一个HOLD状态。触发状态更改的条件是用户可配置的，在状态转换期间，PWM输出将被更新。一旦配置完毕，SMED就可以在96MHz的频率下自动运行。尽管每个SMED都独立运行，但也可以将它们组合起来创建更强大的状态机。
集成的STM8微控制器不仅用于配置每个SMED，而且还用于监控它们的活动，并通过SPI或I2C与外部设备通信。这种技术构成了先进的可编程PWM发生器信号，由内部和外部事件形成，而不是一个简单的定时器。
这些先进的功率器件被设计用来在中高端功率转换器中提供数字实现的开关模式转换器的优点，如更高的效率和增强的安全性。
混合信号的解决方案
可编程性是现代数字电源管理控制器的使能因素，这些设备现在可以看作是真正的混合信号设计的范例。与具有混合信号外设的通用微控制器不同，这些先进的数字pmc的每个方面都被设计成系统工作。这减少甚至消除了中间阶段的需要，在软件中实现数字和模拟领域的接口，这可能引入性能上限。通过消除这一障碍，私营军事公司就能够充分发挥底层技术的潜力。
因此，他们的设计代表了在单芯片解决方案中应用系统级工程的顶峰。今天可用的一个例子是来自德州仪器的UCD3138064ARGCT隔离电源的高度集成数字控制器。除了提供比前任更多的内存，它是这个家族的最新衍生产品，以双银行的闪存，允许从一个代码图像无缝过渡到另一个而不中断电源。这可以用于现场更新，而不会引起任何停机时间;对于网络设备来说，这是一个越来越重要的特性，因此，这也是TI的应用目标之一。
该设备的核心是一个ARM7TDMI-S微控制器，但它是三个先进的数字电源外围模块，真正的区别。这些包括一个高速数字控制回路，包括一个专用的误差模数转换器，一个基于pid的2极/2-零数字补偿器和具有250ps脉冲宽度分辨率的DPWM输出。它通过使用16个移相时钟信号来实现这一点，允许它产生不受系统时钟要求的分辨率的波形。
该部件被设计用于解决广泛的控制方案和电源拓扑，它包括许多额外的功能来支持这一点。

图4:一个典型的应用程序。

在每个DPP内部，最后一个阶段是一个DPWM模块-一个具有两个独立输出的完整DPWM通道。这些可以用来控制单独的电源输出电压轨道，或与用户定义的相移同步。组合多个dpwm可以支持不同的电源拓扑。
结论
针对环境和经济因素，控制电子设备功率效率的法规变得更加严格，这是相当正确的。对于原始设备制造商来说，遵守这些法规并不一定是一件繁重的事情。越来越多的先进电源管理控制器被推向市场，并为电源设计人员提供相应水平的支持。
未来5年，联网设备的数量将以前所未有的速度增长;如果处理电力的方式不发生翻天覆地的变化，现有的能源可能难以满足这一需求。幸运的是，正如本文提供的示例解决方案所示，行业并没有在工作上偷懒。
正如物联网为设备开发人员提供了一个巨大的机会，它也是一个以更聪明的方式考虑电力消耗的机会，这肯定是一件好事。
关于作者
Mark Patrick于2014年7月加入Mouser Electronics，此前曾在RS Components担任高级营销职务。加入RS之前，Mark在德州仪器公司工作了8年，担任应用支持和技术销售职务，并持有考文垂大学电子工程一等荣誉学位。