電源管理

電源管理

指如何將電源有效分配給系統的不同組件。通過降低組件閒置時的能耗,優秀的電源管理系統能夠節能二分之一或三分之二。

  • 中文名稱
    電源管理
  • 屬    于
    電力電子技術的範疇
  • 廣泛套用
    工業,能源,交通
  • 降    低
    組件閒置時的能耗

趨勢

全球節能需求的不斷提高,數位技術的不斷進步,分體式電源結構的日益增加和電子設備必須遵守強製能效規範的要求,連同攜帶型裝置的小型化、多功能的發展趨勢是電源管理技術發展的原動力。

設計

電源設計的技術

Q1:如何來評估一個系統的電源需求

Answer:對于一個實際的電子系統,要認真的分析它的電源需求。不僅僅是關心輸入電壓、輸出電壓和電流,還要仔細考慮總的功耗、電源實現的效率、電源部分對負載變化的瞬態回響能力、關鍵器件對電源波動的容忍範圍以及相應的允許的電源紋波,還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關的,效率高了,在負載功耗相同的情況下總功耗就少,對降低整個系統的功率預算就非常有利了(對比LDO和開關電源,開關電源的效率要高一些)。值得註意的是,評估效率不僅僅是看在滿負載的時候電源電路的效率,還要關註輕負載的時候效率水準。

至于負載瞬態回響能力,對于一些高性能的CPU套用就會有嚴格的要求,因為當CPU突然開始運行繁重的任務時,需要的啓動電流是很大的,如果電源電路回響速度不夠,造成瞬間電壓下降過多,導致CPU運行出錯。

一般來說,要求的電源實際值多為標稱值的±5%,所以可以據此計算出允許的電源紋波,當然要預留餘量的。

散熱問題對于那些大電流電源和LDO來說比較重要,通過計算也是可以評估是否合適的。

Q2:如何選擇合適的電源實現電路

Answer:根據分析系統需求得出的具體技術指標,可以來選擇合適的電源實現電路了。一般弱電部分,包括了LDO(線性電源轉換器)、開關電源電容降壓轉換器和開關電源電感電容轉換器。相比之下,LDO設計最易實現、輸出紋波小,但缺點是效率有可能不高、發熱量大、可提供的電流相較開關電源不大等等。而開關電源電路設計靈活、效率高,但存在紋波大、實現比較復雜、調試比較煩瑣等缺點。

Q3:如何為開關電源電路選擇合適的元器件和參數

Answer:很多的未使用過開關電源設計的工程師會對它產生一定的畏懼心理,比如擔心開關電源的幹擾問題、PCB layout問題、元器件的參數和類型選擇問題等。其實隻要了解了,使用一個開關電源設計還是非常方便的。

一個開關電源一般包含有開關電源控製器和輸出兩部分,有些控製器會將MOSFET集成到晶片中去,這樣使用就更簡單了,還簡化了PCB設計,但是設計的彈性就減少了一些。

開關控製器基本上就是一個閉環的反饋控製系統,一般都會有一個反饋輸出電壓的採樣電路以及反饋環的控製電路。因此這部分的設計在于保證精確的採樣電路、控製反饋深度,因為如果反饋環回響過慢的話,對瞬態回響能力是會有很多影響的。

而輸出部分設計包含了輸出電容、輸出電感以及MOSFET等等,這些元件的選擇基本上要滿足一個性能和成本的平衡:高的開關頻率就可以使用小的電感值(意味著小的封裝和便宜的成本),但是較高的開關頻率會增加幹擾和增大MOSFET的開關損耗,使效率降低;低的開關頻率帶來的結果則恰好相反。

對于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數選擇也是非常關鍵的:選擇小的ESR可以減小輸出紋波,但是電容成本就會增加(好的電容會貴嘛)。開關電源控製器驅動能力也是需要註意:過多的MOSFET是不能被很好驅動的。

一般來說,開關電源控製器的供應商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鏡。

Q4:如何調試開關電源電路

Answer:有一些經驗可以共享給大家:

1: 電源電路的輸入輸出通過低阻值大功率電阻接到板內,這樣在不焊電阻的情況下可以在做到電源電路後先調試,避開後面電路的影響。

2: 一般來說開關控製器是閉環系統,如果輸出惡化的情況超過了閉環可以控製的範圍,開關電源工作就會不正常,這種情況就需要認真檢查反饋和採樣電路。特別需要註意的是如果採用了大ESR值的輸出電容,會產生很多的電源紋波,這也會影響開關電源的工作的。

接地技術的討論

Q1:為什麽要接地?

Answer:接地技術的引入最初是為了防止電力或電子等設備遭受雷擊而採取的保護性措施,方法是把雷電產生的雷擊電流通過避雷針引入到大地,從而起到保護建築物的作用。同時,接地也是保護人身安全的一種有效手段:當某種原因引起的相線(如電線絕緣不良,線路老化等)和設備外殼碰觸時,設備的外殼就會有危險電壓產生,接地後由此生成的故障電流就會流經PE線到大地,從而起到保護作用。隨著電子通信及其它數位領域的發展,在接地系統中隻考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。比如在通信系統中,實現大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個基準'地'作為信號的參考地;隨著電子設備的復雜化,信號頻率越來越高,因此,在接地設計中,信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關註(接地不當就會嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性)。此外,高速信號的信號回流技術中也引入了 "地"的概念。

Q2:接地的定義

Answer: 在現代接地概念中、對于線路工程師來說,該術語的含義通常是'線路電壓的參考點';對于系統設計師來說,它常常是機櫃或機架;對電氣工程師來說,它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是"接地是電流返回其源的低阻抗通道"(註意要求是"低阻抗"和"通路")。

Q3:常見的接地符號

Answer: PE,PGND,FG-保護地或機殼;BGND或DC-RETURN-直流-48V( 24V)電源(電池)回流;GND-工作地;DGND-數位地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護地

Q4:合適的接地方式

Answer: 接地方式很多,有單點接地、多點接地以及混合類型的接地。單點接地又分為串聯單點接地和並聯單點接地。一般來說,單點接地用于簡單電路、不同功能模組之間接地區分以及低頻(f<1MHz)電子線路。當設計高頻(f>10MHz)電路時就要採用多點接地或者多層板(完整的地平面層)。

Q5:信號燈回流和跨分割的介紹

Answer:對于一個電子信號來說,它需要尋找一條最低阻抗的電路作為回流到地的途徑,因此如何處理這個信號回流就變得非常的關鍵。

第一,根據公式可以知道,輻射強度是和回路面積成正比的,就是說回流需要走的路徑越長,形成的環越大,它對外輻射的幹擾也越大,因此在PCB布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。

第二,對于一個高速信號來說,提供較好的信號回流可以保證它的信號質量,這是因為PCB上載輸線的特徵阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來計算的。如果高速線附近有連續的地平面,這樣這條線的阻抗就能保持連續,如果有段線附近沒有了地參考,這樣阻抗就會發生變化,因為不連續的阻抗會影響到信號的完整性。所以,布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層或者在高速線旁邊並行走一兩條地線,起到禁止和就近提供回流的功能。

第三,為什麽說布線的時候盡量不要跨電源分割,這是因為信號跨越了不同電源層後,它的回流途徑就會很長了,容易受到幹擾。當然,並非所有信號都嚴格要求不能跨越電源分割,低速的信號是可以的,因為產生的幹擾相比信號可以不予考慮。對高速信號就要認真檢查,盡量通過調整電源部分的走線避免跨越。(這是針對多層板多個電源供應情況說的)

Answer:對于一般器件來說,就近接地是最好的。採用了擁有完整地平面的多層板設計後,一般信號的接地就非常容易了,此時的基本原則是保證走線的連續性、減少過孔數量、靠近地平面或者電源平面等等。

Q6:為什麽要將模擬地和數位地分開,如何分開?

Answer:模擬信號和數位信號都要回流到地。因為數位信號變化速度快,會在數位地上引起很大的噪聲,而模擬信號是需要一個幹凈的地來參考工作的,如果模擬地和數位地混在一起,噪聲就會影響到模擬信號。

一般來說,模擬地和數位地要分開處理,然後通過細的走線或者單點連線在一起,總的思想是盡量阻隔數位地上的噪聲竄到模擬地上。當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數位地必須分開,如果模擬部分附近的數位地很幹凈的話就可以連線在一起。

Q7:單板上的信號如何接地?

Answer:對于一般器件來說,就近接地是最好的。採用了擁有完整地平面的多層板設計後,一般信號的接地就非常容易了,此時的基本原則是保證走線的連續性、減少過孔數量、靠近地平面或者電源平面、等等。

Q8:單板的接口器件如何接地?

Answer:有些單板會有對外的輸入輸出接口,比如串口連線器、網口RJ45連線器等等,如果對它們的接地設計的不好也會影響到正常工作,例如網口互連會有誤碼、丟包等現象,還會成為對外的電磁幹擾源,將板內的噪聲向外傳送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地,與信號地的連線採用細的走線連線,可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細的走線可以抑製信號地上噪音傳到接口地上來。同樣的,對接口地和接口電源的濾波也要認真考慮。

Q9:帶禁止層的電纜線的禁止層如何接地?

Answer:禁止電纜的禁止層都要接到單板的接口地上而不是信號地上,這是因為信號地上有各種的噪聲,如果將禁止層接到了信號地上,噪聲電壓會驅動共模電流沿禁止層向外幹擾,這就是為什麽設計不好的電纜線一般都會是電磁幹擾的最大噪聲輸出源。當然將禁止層接到接口地上的前提是接口地也要非常幹凈。

數位電源管理套用

很多廚房和車庫電器、電動工具以及其他小家電中所用的傳統通用型電動機一般都不能精確地控製速度。這些電動機基本上隻有關和開兩種狀態,這對于某些套用來說確實是足夠了。但在其他場合,通過數位電源管理系統來進行精確變速控製的電動機擁有很多巨大的優勢,包括:

-更低的功耗

-更高的安全性

-更長的工具壽命

-更便于使用

-更先進的操作控製。

-將電器開啓時產生電涌從而導致電路斷開的風險最小化

成本曾經是在各種消費類電器中實現智慧型電機控製的主要障礙。本文將介紹一種由ZiLOG公司設計開發的新型高效低成本變速通用電機控製方案,以及這一方案是如何利用新型片上集成數位模組和先進的模擬硬體模組,以最少的外部組件和韌體實現速度控製和故障停機功能的。

解決成本與復雜性問題

電子行業流行這麽一個"傳統"觀點:能進行直接準確變速控製的系統所需的組件實在太貴了,根本無法用于價格敏感型消費電器中。這種觀點認為,與其開發並執行這樣的控製系統,使最終產品零售價格升高並導致產品對人們失去吸引力,還不如保持電器的低成本,放棄智慧型電機控製的優勢。另外,由于快速過電流檢測、故障控製、系統可靠性和效率等問題,電機控製套用還存在著棘手的工程難題。

由于對快速準確回路控製的需求以及通過數位電源管理執行智慧型電機控製所需要組件的數量和成本等問題的存在,這些控製器套用給MCU樹立了標準,要求它必須提供一流的性能和豐富的綜合型先進功能以簡化通用電機控製領域的閉合回路控製設計。

近幾年專門用于電機控製的微控製器(MCU)已經問世,集成了8 位計算引擎、模數轉換器(ADC)、比較器、計數器、定時器等電路來控製電機速度,滿足負載的功率要求。由于快速而精確的閉環控製以及所需支持組件的數量少和成本低,這種控製器在對 MCU 的預期方面樹立了新標桿。MCU生產商所面臨的問題是怎樣在確保集成恰當的外部組件和功能的同時還能保持產品價格對消費者的吸引。來源:大比特半導體器件網

一種最佳方法

圖1展示了一個面向先進電機控製尤其是通用電機控製套用的低成本高效型數位功率管理方案。其中的片上模擬外圍設備都是由ZiLOG開發並集成到它的一款8位MCU上的。

ZiLOG 8位MCU架構圖ZiLOG 8位MCU架構圖

圖1 ZiLOG 8位MCU架構圖

在這個例子中,MCU的10位ADC能夠提供多達四個單端/差分通道和一個可選的 1X 差分輸入緩沖區。另外,ADC 模組中還集成了一個片上低功率運算放大器,從而不再需要另外的外部組件就能夠獲得高精度電流測量。結合這個多通道 ADC,MCU 的兩個具有脈寬調製(PWM )以及採集與比較功能的增強型16 位定時器模組可以同時操作兩個負載(即電機),同時,直接 LED 驅動輸出可用來在出現預設事件時觸發 LED,而不需要額外的硬體。該方案還由其它特征,包括一個模擬比較器、一套用于確保可靠性的"防故障"振蕩器機製、一個片上集成溫度感測器和高達128B 的非易失性資料存儲空間(NVDS)。圖 2 是款使用了ZiLOG MCU 的通用電機的結構圖。

通用電機控製系統架構圖通用電機控製系統架構圖

圖2 通用電機控製系統架構圖

電機控製的主要功能

這個特別的數位公裏發管理方案提供了通用電機所需的主要控製功能:"軟啓動"、過電流故障保護和使用片上比較器測定交流電路過零點以確保 MCU 輸出信號同步的能力。我們來逐條分析一下,並看看該方案是如何滿足這些要求的:

(1)軟啓動

"軟啓動"功能確保在電機開啟時功率逐漸地輸出到電機。通過使用 MCU 的單 I/O 輸出控製 TRIAC 的觸發/點火角來實現可調控製。這種功能最大程度地減少了啓動時轉子的過沖和不平穩運動,從而減少電機磨損,防止需量的突變,避免電路斷開導致剛開啓或正在運行的電器都被關斷的情況。

ZiLOG的軟啓動實現方法採用了一個定時器和重新載入定時器高低位元組時使用的一個查找表。在交流信號的一個半周期內可以實現二十個均勻分布的觸發角。通過這種方法可以調節 TRIAC 觸發角(如圖3),以調整輸送給電機的功率。這種軟啓動方案使用一個10 微秒輸出脈沖寬度觸發TRIAC,在此期間觸發角從 18°上升至162° (一個半周期的 10% 至 90%),此時電機過渡到正常滿速運轉。

(2)過電流故障保護

大多數電機控製都需要過電流故障保護。過電流故障的原因有很多,例如電機繞組短路、電機引線短路、機械驅動與連線裝置故障、功率器件損壞、接線錯誤等。嚴重的過流故障會導致電器損毀,因此在出現過電流故障時,不管原因是什麽,都必須立即停止電機轉動以防損壞。雖然保護電路必須動作迅速,但最好逐周期地關掉 PWM 輸出,以便在不能繼續檢測到故障條件時恢復正常運轉,而不是一下子完全關斷整個系統。如果這種方法不能解決問題,再關斷系統。

這個電機控製器方案以一個感應電阻來測量電機電流(圖 2),並把信號傳輸到片上集成 ADC。過電流門限值是可以設定的,而一旦電流達到這個門限值,系統就會啓動一個中斷服務程式,然後終止輸送到TRIAC 的觸發脈沖,並最終關閉系統。

(3)過零點

要控製電機速度,TRIAC 的觸發角必須與交流電路電壓同步,因此,必須測定這種信號的過零時刻。ZiLOG 的電機控製方案使用了一個片上集成的模擬比較器,而不再需要外部組件,因此有助于降低成本和系統復雜性。圖 3 展示了用來實現變速控製的不同的TRIAC 觸發角。在圖中所示的套用中,TRIAC 的觸發角被設為 9° 。

圖3 電機電壓:18°、90°和162°TRAC觸發角

結論

由于成本和系統復雜性的原因,各種家電和攜帶型工具中使用的傳統通用電機一般都缺乏精確電機控製,要解決這一問題,可以使用一個數位電源管理來實現變速控製,以得到各種明顯的優勢,並防止啓動電器時可能出現的會導致電路斷開的電涌。上面提到的這一方案使用了ZiLOG的 Z8 Encore! XP Flash MCU,採用了片上集成數位模組和先進的模擬硬體模組,提供了一種通用電機控製方案,能較好的克服阻礙在各種價格敏感型電器上執行智慧型控製的成本與復雜性問題。

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