1、如何为嵌入式系统选择实用的电源管理技术? 本刊编辑部 引言电源管理是永远不会过时的话题, 尤其在物联网时代, 低功耗需求更加迫切, 工程师们也在不断寻求降低功耗的方案。各种移动终端、可穿戴设备、消费类电子产品、传感器网络节点等典型嵌入式设备对能耗越来越敏感, 电源管理技术正成为这些产品设计的关键所在。电源管理技术正由传统的基于电源管理器件和外设控制为主的静态控制方式, 转为以具备智能电源管理功能的嵌入式微处理器结合操作系统为核心的智能管理软件的动静态结合的综合控制模式。那么在嵌入式系统开发中, 又有哪些实用的电源管理技术可以使产品更加具有竞争力呢?我们又该如何进行选择呢?业界声音 TI 新专利
2、降低产品待机功耗TI 高压电源解决方案副总裁 Steve Lambouses 表示, 目前闲置装置所消耗的电量, 相当于 50 个大型电厂的年发电总量。另外, 有 12%18%的家电或电子产品, 即便没有在使用, 也是会有电能损耗, 因此, 消费性电子市场对于低待机电力的高效电源需求量很大。所以 TI 希望推出一款控制器能够让设计人员用更少的电力执行更多的操作, 满足未来的电源需求, 实现简化设计及降低系统成本。近日, TI 推出新款整合式高压闸极驱动器的新型 LLC 谐振控制器 UCC256301。这款谐振控制器能满足各种 AC/DC 应用的严格能效标准, 包括数位电视、游戏转接器、桌上型电
3、脑和笔记型电脑转接器及电动工具充电器等。UCC256301 作为新型高效能 LLC 控制器系列中的首款产品, 当系统处于全调节输出状态时, 其可提供小于 40mW 的待机电力, 同时还可以保证效能仍高于产能需求;它还具备快速的瞬态回应和健全的故障保护功能, 避免终端设备在使用期间遇到断电等突发情况。此外, 该产品采用混合迟滞控制技术, 这是 TI 一项新的专利控制方法, 能够实现 10 倍速度的瞬态回应, 并将输出电容降低 20%, 进而加快系统回应时间。同时, 该控制器还超越了行为准则 (CoC) 第二阶段 (Tier2) 及美国能源部 (DoE) 6 级效能标准, 在负载 10%时, 效率
4、仍高达 90%以上, 实现更低的待机电力。安森美半导体让移动电源也智能收购 Fairchild 后, 安森美半导体在电源管理 IC 市场中的优势更加明显。安森美半导体不断跟随市场发展趋势, 研发迎合市场需求的产品。现在移动电源成为很多消费者的必备产品, 但仅仅具备简单充电功能的移动电源, 已经远远不能满足消费者的期望, 能够快速充电的电源产品才更受欢迎。安森美半导体为了满足这种需求推出了单芯片移动电源方案 LC709501F, 可实现功能丰富且更具差异化特性的智能移动电源产品, 智能且支持快充, 帮助移动电源供应商在市场竞争中处于有利地位。LC709501F 支持通过 USB 2.0 全速主机
5、控制器获取移动电源电池信息 (如 1%步进剩余电量) 、电池温度、电池电流及电池健康指标 (电池充放电周期数) , 提供电池信息数据显示 App 用于移动设备, 让用户通过移动设备随时知悉所携带的移动电源的各项指标, 会大大提升用户体验。只要基于 LC709501F 的移动电源被连接到移动设备 (如智能手机) , 应用程序就自动启动, 移动电源的详细运行信息及关键参数将显示在智能手机的屏幕, 如移动电源电池剩余电量及动画运行、移动电源电池使用时间、剩下的充电时间、电池温度、快充开关按钮等, 并且该方案还支持移动电源供应商在该 App界面显示其公司 Logo。传统的移动电源方案通常包括微控制器
6、(MCU) 、低压降稳压器 (LDO) 、USB检测模块和充电稳压模块等多个元件, 需要很长的设计周期, 并且还需要软件来处理逻辑和控制功能。LC709501F 将多个元件集成到单个芯片, 减少了元件数, 实现了紧凑的、超薄的高性能系统, 支持平台设计, 外置的 FET 还可扩展充电能力。纳微半导体用新材料应对电源产品挑战纳微 (Navitas) 半导体公司是 2014 年新成立的公司, 是世界首个且唯一的GaN 功率 IC 企业。公司发布的新产品 AllGaN 功率 IC, 可以大大降低笔记本电脑电源适配器的重量。与硅类功率器件开关速率和能源效率成反比不同, GaN功率 IC 在提高开关速率
7、的同时, 效率不仅没有降低, 还有略微提升。这是因为与传统硅类功率器件相比, 基于 GaN 的功率器件具有导通电阻低和能够进行高频操作等特性, 这些特性恰恰有利于提高电源单元转换效率, 并使电源单元更加紧凑, 所以通过 GaN 功率 IC 就可以同时获得无与伦比的速率和效率。如果笔记本电源适配器选用硅类功率器件, 尺寸大约为 67 英寸, 重量大约为300g, 但如果采用 AllGaN 功率 IC, 65 W 的新设计体积仅为 2.7 英寸, 重量仅为 60g, 因为 AllGaN 功率 IC 可以缩小变压器、滤波器和散热器的尺寸。除此之外, 如果使用其他 GaN 功率器件, 设计中还需要许多
8、元器件、复杂的电路, 而使用 AllGaN 功率 IC, 则可以省去很多驱动部分设计, 更易于使用。ZLG 致远电子给出的选择建议嵌入式工程师在日常电路设计中可以从以下角度考虑电源模块。隔离还是非隔离?从隔离的目的来说, 可以将隔离分为安全隔离和噪声隔离两大类。由于嵌入式系统的应用广泛, 在硬件设计中, 经常会遇到多电压供电、数模混合、高速低速信号同板等复杂的情况, 处理稍有不慎, 就会引入干扰, 轻则降低产品性能, 重则干扰通信甚至引起系统重启、瘫痪等。此时, 隔离就显得尤为重要, 在嵌入式系统的设计中, 一般都会选择使用隔离电源模块对 PCB 不同区块进行隔离供电, 最大限度上减少噪声干扰
9、, 提高系统稳定性。另外, 在含有工业总线的嵌入式系统中, 常常会面临浪涌、电弧干扰、雷击等恶劣环境, 因此需要将总线部分和嵌入式系统部分进行安全隔离。隔离不仅能消除接地环路的干扰, 还能阻隔外界恶劣环境因素影响通过总线进入核心系统, 保证核心系统安全。性能优先还是成本先行?性能和成本, 让多少工程师面临两难的选择, 多少辛辛苦苦做的方案, 由于成本问题不得不放弃。是为了性能不顾成本?还是为了成本牺牲性能?怎样平衡性能和成本, 这是在产品设计中亘古不变的话题。对于同样输入/输出电压的 DC/DC 电源模块来说, 输出功率和工作温度范围是影响其成本的主要因素。电子器件工作温度范围一般分为:商业级
10、 (070) 、工业级 (-4085) 、车规级 (-40105) 、军品级 (-55125) 等。由于温度等级不同, 对材料和制造工艺的要求不同, 模块成本就相差很大了。如果在体积 (封装形式) 一定的条件下实际使用功率已经接近模块额定功率, 那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际使用需求甚至略有余量。如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品, 实际使用温度已经逼近模块极限温度的情况, 怎么办呢?这时可以采用降额使用的办法, 即选择功率或封装更大一些的产品, 这样“大马拉小车”, 温升低, 能够从一定程度上缓解这一矛盾。总之要么选择宽温度范围的产品, 功率利用更充分, 封装也更小一些, 但
11、价格较高;要么选择一般温度范围产品, 价格低一些, 功率余量和封装形式就得大一些。功率余量留多少?10%、20%还是 30%?设计余量一个让人又爱又恨的指标。余量设计的本质是预防意外, 它虽然与品质无关, 但余量设计不足会存在质量问题的隐患, 余量设计过大又会造成成本的升高。由于嵌入式系统应用的广泛性, 负载也具有多样性, 有的是阻性负载, 有的是感性或容性负载, 有的负载较稳定, 有的负载波动较大, 有的甚至还会有空载、或满载、或瞬间负载变大、或瞬间负载跌落的情况发生, 这给确定电源模块的功率等级造成一定的难度。一般情况下, 负载电流的大小是决定功率的关键因素, 考虑到嵌入式系统设计的稳定性
12、和抗意外能力, 建议根据实际情况, 最小预留 20%的设计余量, 即实际使用中最大功率不超过电源模块额定功率的 80%, 在这个功率范围内电源模块各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。对于波动较大的负载, 设计应当满足峰值电流不超过电源模块最大承受范围的基本原则, 再根据负载波动的频率适当地加大设计余量, 尽量提高可靠性。隔离电压是否越大越好?隔离电压是隔离型 DC/DC 电源模块的一个重要指标, 隔离电压等级越高, 电源模块内部的保护器件和设计工艺要求就越高, 从根本上讲, 就是成本越高。那么怎样选择合适的隔离电压呢?电源模块的隔离电压需要根据应用场合来选择。一般场合使用对电源模块隔离电压要
13、求不是很高, 但是更高的隔离电压可以保证模块电源具有更小的漏电流, 更高的安全性和可靠性, 并且 EMC 特性也更好一些, 加之嵌入式系统核心器件集成度高, 封装小, 相对比较脆弱, 因此一般业界普遍的隔离电压水平为1500V DC 或以上。但在一些特殊的行业, 比如医疗、户外通信基站、高压电力等, 对电源模块的隔离度要求则更高。编辑视角移动设备对于电源的要求越来越多, 希望小型化、集成化、智能化、更低的静态电流等所以很多电源管理 IC 厂商正在采用模块化的方式来处理电源管理 IC的各种问题, 所以其体积越来越小、功耗越来越低, 但是在缩体积、降功耗的同时也要防范电源管理带来的安全问题。最近有研究人员演示了利用电源管理入侵 ARM TrustZone, 现在的大多数 CPU都支持动态电压频率调整, 根据 CPU 是空闲或忙碌来动态地调整 CPU 的电压和频率。研究人员发现, 他们可以通过调大调小一个线程的电压来翻转另一个线程的比特。当第二个线程正被 TrustZone 密钥的时候翻转比特, 研究人员就获得了权限。这种新型硬件故障攻击称为 CLKSCREW 攻击, 称它是硬件 Bug, 而不是软件的, 存在于电源管理设计的基础部分, 很难简单地修复。所以电源模块的安全性也是工程师需要考虑的方面, 在物联网时代尤为重要!
