對(duì)于許多需要平均功率測(cè)量的應(yīng)用，功率累加器是一個(gè)很好的解決方案。考慮實(shí)時(shí)測(cè)量開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器效率，這樣就可以評(píng)估轉(zhuǎn)換器效率隨時(shí)間變化和在不同工作條件下的變化。通過(guò)將這種方法擴(kuò)展到多個(gè)電源軌，您可以監(jiān)控電池供電的高密度系統(tǒng)中的電源管理集成電路（PMIC）。功率積累還可以通過(guò)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中監(jiān)控各種系統(tǒng)電源軌來(lái)促進(jìn)快速原型設(shè)計(jì)。記錄的數(shù)據(jù)可用于持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本應(yīng)用筆記討論了功率累加器在提供關(guān)鍵的實(shí)時(shí)功率測(cè)量方面非常寶貴的各種應(yīng)用。

介紹

測(cè)量電氣系統(tǒng)中關(guān)鍵系統(tǒng)電源軌消耗的功率可提供重要系統(tǒng)功能的遙測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)功耗數(shù)據(jù)使系統(tǒng)能夠執(zhí)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化以延長(zhǎng)電池壽命。功率監(jiān)控器對(duì)電源軌的電壓和電流進(jìn)行采樣以產(chǎn)生瞬時(shí)功率測(cè)量，通常用于持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)電源軌峰值功率的系統(tǒng)。然而，平均功率需要更大的計(jì)算。在這些情況下，必須在指定的時(shí)間間隔內(nèi)累積瞬時(shí)功率讀數(shù)，以便生成平均功率測(cè)量值。功率監(jiān)視器需要額外的處理才能執(zhí)行這種測(cè)量，這對(duì)于處理能力有限的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。這就是為什么傳統(tǒng)的功率監(jiān)控器不適合平均功率測(cè)量的原因。在這里，功率累加器是更好的選擇，因?yàn)樗鼈兗闪死奂庸δ埽蔀橄到y(tǒng)主機(jī)提供平均功率讀數(shù)。

蓄能器的工作原理

為了獲得累積的功率值，功率累加器測(cè)量電壓和電流樣本，將它們相乘以獲得功率讀數(shù)，并添加多個(gè)讀數(shù)。芯片存儲(chǔ)累積功率和采樣計(jì)數(shù)信息。圖1所示為MAX34407框圖，給出了該過(guò)程的示例。

圖1.MAX34407功率累加器框圖

MAX34407采用多路復(fù)用器、電流檢測(cè)放大器和12位ADC，自動(dòng)采集來(lái)自4個(gè)通道的電流和電壓樣本。為了為每個(gè)采樣對(duì)生成28位功率值，這些電壓和電流樣本在片內(nèi)相乘。功率值相加并存儲(chǔ)在48位寄存器中，累積的瞬時(shí)功率采樣計(jì)數(shù)存儲(chǔ)在24位寄存器中。MAX34407不需要外部采樣時(shí)鐘，因此，通過(guò)自動(dòng)時(shí)序器和集成振蕩器，芯片是完全自主的。

帶 I2來(lái)自主機(jī)的C/SMBus命令，設(shè)備將累積的功率采樣和計(jì)數(shù)傳輸?shù)街鳈C(jī)可用的一組寄存器。然后，主機(jī)可以在任何時(shí)間間隔檢索數(shù)據(jù)，并且傳輸不會(huì)丟失樣本。在正常模式下，MAX34407采樣速率為1024sps。由于累積深度為 48 位，而單個(gè)樣本為 28 位，因此 220可以在主控制器需要回讀數(shù)據(jù)之前存儲(chǔ)示例：

主機(jī)收到功率累積和計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)后，基本計(jì)算顯示平均負(fù)載功率。沒(méi)有積累電源數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，主機(jī)處理器可以專(zhuān)注于管理更重要的任務(wù)。功率累積數(shù)據(jù)由主機(jī)處理器使用比例因子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，比例因子由以下常量和公式確定。P行政協(xié)調(diào)會(huì)是累積功率值，COUNT 是功率樣本的總數(shù)：

MAX34407特定常數(shù)：

電壓檢測(cè)滿量程，V司 司長(zhǎng)= 16V

電流檢測(cè)滿量程，V意義= 100mV

功率累積字長(zhǎng)，28 位

比例因子：

滿量程電流，

功率標(biāo)度校正，P規(guī)模= V司 司長(zhǎng)× I司 司長(zhǎng)

最低有效功率位，

平均功率計(jì)算：以上提供了使用MAX34407將累積ADC數(shù)轉(zhuǎn)換為平均功率的示例。由于功率蓄能器具有不同的功能和操作，因此請(qǐng)務(wù)必考慮每個(gè)功率蓄能器的具體操作。

使用單個(gè) IC 進(jìn)行效率測(cè)量

對(duì)于任何功率轉(zhuǎn)換器，效率都是最重要的規(guī)格之一。設(shè)計(jì)實(shí)施后，設(shè)計(jì)人員或最終用戶將無(wú)法獲得實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換器效率測(cè)量。這些測(cè)量值隨時(shí)間和工作條件而變化，還可能受到組件漂移、負(fù)載條件、溫度和濕度等因素的影響。具有多個(gè)電源軌的功率累加器提供單一IC方法，用于進(jìn)行效率測(cè)量，并總體上實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的效率。

由于MAX34407在多個(gè)電源軌上累積功率，因此可以通過(guò)在輸入端累積功率來(lái)測(cè)量效率（P在）和輸出（P外） 的轉(zhuǎn)換器。可以使用以下公式將這兩個(gè)測(cè)量的結(jié)果發(fā)送到微處理器進(jìn)行效率計(jì)算：

在圖2中，可以看到使用MAX34407功率累加器測(cè)量MAXM17504降壓轉(zhuǎn)換器效率的典型電路。該電路的一個(gè)示例應(yīng)用是12V太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)，其中主轉(zhuǎn)換器通常采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法。由于實(shí)時(shí)效率測(cè)量提供MPPT算法性能的反饋，因此系統(tǒng)或設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)在線測(cè)量?jī)?yōu)化MPPT算法。MAXM17504輸入電壓范圍為12V±10%，適合MAX34407+2.7V至+15V共模電壓范圍。檢流放大器的滿量程范圍為100mV，因此在輸入端使用50mΩ電阻以獲得2A的最大輸入電流，在輸出端使用一個(gè)25mΩ電阻以獲得4A的最大輸出電流。

圖2.效率測(cè)量應(yīng)用電路

圖 3 顯示了使用四個(gè)臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表 （DMM） 測(cè)量效率的另一種方法。通過(guò)測(cè)量輸入電流、輸出電流、輸入電壓和輸出電壓，4-DMM 方法可提供高精度的效率測(cè)量。這種方法可用作基準(zhǔn)測(cè)量值，以便與從功率累加器IC獲得的效率測(cè)量值進(jìn)行比較。MAX34407與4-DMM效率測(cè)量方法的效率比較見(jiàn)圖4。

圖3.使用4個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表的效率測(cè)量電路。

圖4.MAX34407效率測(cè)量與4-DMM方法的比較

這兩種方法存在明顯的失調(diào)，這源于輸出檢流電阻的功耗。由于MAX34407測(cè)量來(lái)自檢測(cè)電阻較低電壓端的共模負(fù)載電壓，因此該值包含在輸入功率測(cè)量中，而不是輸出功率測(cè)量中。您可以通過(guò)添加計(jì)算出的檢測(cè)電阻功耗來(lái)補(bǔ)償測(cè)得的輸出功率，從而產(chǎn)生總輸出功率。下面，您可以看到用于補(bǔ)償效率測(cè)量的公式。P外和 V外由MAX34407和R測(cè)量意義是已知值。圖5顯示了補(bǔ)償效率測(cè)量的結(jié)果。

圖5.MAX34407補(bǔ)償效率測(cè)量與4-DMM方法的比較

圖5的結(jié)果表明，4數(shù)字萬(wàn)用表和MAX34407效率測(cè)量的最大差異為-0.5%。由此可見(jiàn)，MAX34407可用于精確測(cè)量開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)內(nèi)效率，并具有適當(dāng)?shù)妮敵龉β恃a(bǔ)償。請(qǐng)注意，補(bǔ)償技術(shù)最適合紋波電壓為1%或更低的轉(zhuǎn)換器。

您的 PMIC 消耗多少功率？

監(jiān)控PMIC電壓軌并根據(jù)功耗確定系統(tǒng)性能對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命非常重要。要確定哪些系統(tǒng)塊消耗的電量最多，您可以使用電源累積診斷。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將允許微控制器在系統(tǒng)模塊使用剩余電池容量的很大一部分時(shí)調(diào)整功能。

圖6所示為采用MAX34407功率累加器和MAX77650 PMIC的典型PMIC功率監(jiān)測(cè)應(yīng)用電路。MAX77650包含一個(gè)單電感多輸出（SIMO）轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用具有三個(gè)集成降壓-升壓輸出的單電感。該P(yáng)MIC包含一個(gè)模擬多路復(fù)用器（AMUX），它可以提供電池（BATT）或充電（CHGIN）信息，如電壓或電流。為了輕松測(cè)量額外的PMIC電源軌并向中央處理器提供反饋，可以添加MAX34407等功率累加器。

圖6.PMIC 電源監(jiān)控。

密切關(guān)注董事會(huì)

對(duì)于具有高功率要求的系統(tǒng)，PMIC的有限功率能力并不理想。在這些系統(tǒng)中，多個(gè)轉(zhuǎn)換器共存以提供關(guān)鍵系統(tǒng)負(fù)載。監(jiān)控累積功率可以幫助您根據(jù)可用電源功率管理系統(tǒng)負(fù)載，從而優(yōu)化系統(tǒng)效率。典型的電源系統(tǒng)如圖7所示，MAX34407用于監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的系統(tǒng)電源軌。這包括用于監(jiān)控系統(tǒng)輸入電源的輸入電壓軌。此外，還監(jiān)控消耗最大功率的電源軌，以確定系統(tǒng)效率并保護(hù)高功率輸出。注意這些轉(zhuǎn)換器可以位于遠(yuǎn)程位置，因此需要大量布線至MAX34407。為確保開(kāi)關(guān)噪聲不會(huì)影響功率測(cè)量，MAX34407必須正確布線。（有關(guān)布局注意事項(xiàng)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱本應(yīng)用筆記的布局和濾波階段注意事項(xiàng)部分。

圖7.板/系統(tǒng)電源監(jiān)控。

原型制作時(shí)監(jiān)控功率

在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中，快速的開(kāi)發(fā)時(shí)間仍然至關(guān)重要。這就是為什么快速且易于實(shí)施的解決方案變得越來(lái)越可取的原因。許多開(kāi)發(fā)人員使用ARM? mbed?，Arduino?和Raspberry Pi?等微控制器平臺(tái)進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)。通過(guò)附加板，可以輕松升級(jí)這些硬件平臺(tái)。此外，這些子板帶來(lái)了使用平臺(tái)板上的硬件無(wú)法執(zhí)行的硬件功能。功率累積是一種功能，可用于通過(guò)快速實(shí)施來(lái)監(jiān)控原型的性能。

使用附加功率器板，您可以在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段對(duì)任何系統(tǒng)電源軌進(jìn)行功率測(cè)量。這提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)測(cè)量軟件、傳感器或轉(zhuǎn)換器的效率，以及任何系統(tǒng)模塊的一般功耗。如果需要對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行功率測(cè)量，可以將檢測(cè)電阻和接線端子 d 放置到附加板上。或者，您也可以將系統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)電阻器路由到功率累加器附加板，而不是使用板載檢測(cè)電阻。無(wú)論應(yīng)用類(lèi)型如何，使用功率累加器都能在設(shè)計(jì)階段提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

布局和篩選階段的注意事項(xiàng)

在任何儀器應(yīng)用中，布局階段對(duì)于最小化測(cè)量誤差至關(guān)重要。功率監(jiān)控確實(shí)要求在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器附近放置元件;但是，開(kāi)關(guān)干擾會(huì)在功率測(cè)量中引起誤差。這就是為什么通過(guò)適當(dāng)?shù)牟季€來(lái)降低耦合噪聲非常重要的原因。當(dāng)噪聲不可避免時(shí)，可以在功率監(jiān)視器輸入端放置濾波器，以濾除共模噪聲或差模噪聲。在電流檢測(cè)電阻兩端放置正確開(kāi)爾文檢測(cè)連接的示例中，兩條電流檢測(cè)線的長(zhǎng)度相等，并且彼此并聯(lián)布線，中間間距最小。

圖8.開(kāi)爾文感應(yīng)連接。

MAX34407通過(guò)高邊測(cè)量工作，容易產(chǎn)生共模噪聲。因此，如果系統(tǒng)表現(xiàn)出過(guò)多的共模噪聲，則可能需要額外的濾波器。為了濾除不需要的噪聲，RC濾波器與電流檢測(cè)輸入串聯(lián)。在圖9中，您可以看到在每條電流檢測(cè)線路上使用兩個(gè)相同RC濾波器的共模濾波器配置。這有效地形成了共模信號(hào)的低通濾波器。由于濾波電阻與電流檢測(cè)路徑串聯(lián)放置，因此這些電阻必須匹配良好，以防止功率測(cè)量中的失調(diào)。因此，使用的濾波電阻應(yīng)具有1%或更小的容差。此外，為避免負(fù)載效應(yīng)，請(qǐng)確保串聯(lián)濾波電阻遠(yuǎn)小于功率累加器的輸入阻抗。濾波器的極點(diǎn)選擇遠(yuǎn)低于累加器的奈奎斯特采樣頻率。使用以下公式確定共模濾波器的極點(diǎn)：

圖9.共模濾波器。

電源拓?fù)涞膬?nèi)部開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致電源的輸入電流非常嘈雜。這表現(xiàn)為通過(guò)高端檢流電阻向功率累加器發(fā)出的差模噪聲。如圖10所示，可以使用差模濾波器來(lái)衰減差模噪聲。如前所述，共模濾波器的串聯(lián)電阻必須匹配良好，其電阻必須遠(yuǎn)大于功率累加器的輸入阻抗。差模濾波器的極點(diǎn)也被選擇為小于功率累加器的奈奎斯特頻率。兩個(gè)串聯(lián)電阻和電容為MAX34407輸入（即+IN1/-IN1）之間的差分信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)。使用以下公式確定差模濾波器的極點(diǎn)：

圖 10.差模濾波器。

與蓄能器的板外連接需要雙絞線對(duì)。遠(yuǎn)程執(zhí)行功率測(cè)量的mbed或Arduino擴(kuò)展板等應(yīng)用需要這種方法。在連接到檢流電阻端子的雙絞線對(duì)的典型配置中，雙絞線對(duì)減少了兩根電流檢測(cè)線之間的環(huán)路，從而降低了耦合噪聲。此外，雙絞線通過(guò)導(dǎo)線之間的電感耦合提供差模濾波。負(fù)載功率的遙感也需要雙絞線對(duì)。

結(jié)論

對(duì)于任何需要保護(hù)或效率優(yōu)化的系統(tǒng)，功率累積都是一種不錯(cuò)的方法。從低功耗系統(tǒng)到高功率系統(tǒng)，每種情況下都需要確定關(guān)鍵系統(tǒng)電源軌的功耗。使用專(zhuān)用的功率累積硬件還提供了額外的好處，即消除了傳統(tǒng)電源監(jiān)視器所需的大量處理器開(kāi)銷(xiāo)。總之，這些功率累積設(shè)備提供系統(tǒng)塊的遙測(cè)數(shù)據(jù)，使您能夠根據(jù)電源性能做出決策。

審核編輯：郭婷