如何使用功率累加器進行實時功率測量

對于許多需要平均功率測量的應(yīng)用，功率累加器是一個很好的解決方案。考慮實時測量開關(guān)轉(zhuǎn)換器效率，這樣就可以評估轉(zhuǎn)換器效率隨時間變化和在不同工作條件下的變化。通過將這種方法擴展到多個電源軌，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在開發(fā)過程中監(jiān)控各種系統(tǒng)電源軌來促進快速原型設(shè)計。記錄的數(shù)據(jù)可用于持續(xù)改進系統(tǒng)設(shè)計。本應(yīng)用筆記討論了功率累加器在提供關(guān)鍵的實時功率測量方面非常寶貴的各種應(yīng)用。

介紹

測量電氣系統(tǒng)中關(guān)鍵系統(tǒng)電源軌消耗的功率可提供重要系統(tǒng)功能的遙測數(shù)據(jù)。實時功耗數(shù)據(jù)使系統(tǒng)能夠執(zhí)行動態(tài)優(yōu)化以延長電池壽命。功率監(jiān)控器對電源軌的電壓和電流進行采樣以產(chǎn)生瞬時功率測量，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算。在這些情況下，必須在指定的時間間隔內(nèi)累積瞬時功率讀數(shù)，以便生成平均功率測量值。功率監(jiān)視器需要額外的處理才能執(zhí)行這種測量，這對于處理能力有限的系統(tǒng)來說是一項艱巨的任務(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量的原因。在這里，功率累加器是更好的選擇，因為它們集成了累加功能，可為系統(tǒng)主機提供平均功率讀數(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)，并添加多個讀數(shù)。芯片存儲累積功率和采樣計數(shù)信息。圖1所示為MAX34407框圖，給出了該過程的示例。

圖1.MAX34407功率累加器框圖

MAX34407采用多路復(fù)用器、電流檢測放大器和12位ADC，自動采集來自4個通道的電流和電壓樣本。為了為每個采樣對生成28位功率值，這些電壓和電流樣本在片內(nèi)相乘。功率值相加并存儲在48位寄存器中，累積的瞬時功率采樣計數(shù)存儲在24位寄存器中。MAX34407不需要外部采樣時鐘，因此，通過自動時序器和集成振蕩器，芯片是完全自主的。

帶 I2來自主機的C/SMBus命令，設(shè)備將累積的功率采樣和計數(shù)傳輸?shù)街鳈C可用的一組寄存器。然后，主機可以在任何時間間隔檢索數(shù)據(jù)，并且傳輸不會丟失樣本。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)之前存儲示例：

主機收到功率累積和計數(shù)數(shù)據(jù)后，基本計算顯示平均負載功率。沒有積累電源數(shù)據(jù)的負擔(dān)，主機處理器可以專注于管理更重要的任務(wù)。功率累積數(shù)據(jù)由主機處理器使用比例因子進行轉(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)：

電壓檢測滿量程，V司 司長= 16V

電流檢測滿量程，V意義= 100mV

功率累積字長，28 位

比例因子：

滿量程電流，

功率標度校正，P規(guī)模= V司 司長× I司 司長

最低有效功率位，

平均功率計算：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，因此請務(wù)必考慮每個功率蓄能器的具體操作。

使用單個 IC 進行效率測量

對于任何功率轉(zhuǎn)換器，效率都是最重要的規(guī)格之一。設(shè)計實施后，設(shè)計人員或最終用戶將無法獲得實時轉(zhuǎn)換器效率測量。這些測量值隨時間和工作條件而變化，還可能受到組件漂移、負載條件、溫度和濕度等因素的影響。具有多個電源軌的功率累加器提供單一IC方法，用于進行效率測量，并總體上實時監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的效率。

由于MAX34407在多個電源軌上累積功率，因此可以通過在輸入端累積功率來測量效率（P在）和輸出（P外） 的轉(zhuǎn)換器。可以使用以下公式將這兩個測量的結(jié)果發(fā)送到微處理器進行效率計算：

在圖2中，可以看到使用MAX34407功率累加器測量MAXM17504降壓轉(zhuǎn)換器效率的典型電路。該電路的一個示例應(yīng)用是12V太陽能電池板系統(tǒng)，其中主轉(zhuǎn)換器通常采用最大功率點跟蹤（MPPT）算法。由于實時效率測量提供MPPT算法性能的反饋，因此系統(tǒng)或設(shè)計人員可以根據(jù)在線測量優(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25mΩ電阻以獲得4A的最大輸出電流。

圖2.效率測量應(yīng)用電路

圖 3 顯示了使用四個臺式數(shù)字萬用表 （DMM） 測量效率的另一種方法。通過測量輸入電流、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量。這種方法可用作基準測量值，以便與從功率累加器IC獲得的效率測量值進行比較。MAX34407與4-DMM效率測量方法的效率比較見圖4。

圖3.使用4個數(shù)字萬用表的效率測量電路。

圖4.MAX34407效率測量與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測量來自檢測電阻較低電壓端的共模負載電壓，因此該值包含在輸入功率測量中，而不是輸出功率測量中。您可以通過添加計算出的檢測電阻功耗來補償測得的輸出功率，從而產(chǎn)生總輸出功率。下面，您可以看到用于補償效率測量的公式。P外和 V外由MAX34407和R測量意義是已知值。圖5顯示了補償效率測量的結(jié)果。

圖5.MAX34407補償效率測量與4-DMM方法的比較

圖5的結(jié)果表明，4數(shù)字萬用表和MAX34407效率測量的最大差異為-0.5%。由此可見，MAX34407可用于精確測量開關(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償。請注意，補償技術(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)性能對于延長電池壽命非常重要。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)測應(yīng)用電路。MAX77650包含一個單電感多輸出（SIMO）轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用具有三個集成降壓-升壓輸出的單電感。該PMIC包含一個模擬多路復(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

對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，多個轉(zhuǎn)換器共存以提供關(guān)鍵系統(tǒng)負載。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)效率并保護高功率輸出。注意這些轉(zhuǎn)換器可以位于遠程位置，因此需要大量布線至MAX34407。為確保開關(guān)噪聲不會影響功率測量，MAX34407必須正確布線。（有關(guān)布局注意事項的更多詳細信息，請參閱本應(yīng)用筆記的布局和濾波階段注意事項部分。

圖7.板/系統(tǒng)電源監(jiān)控。

原型制作時監(jiān)控功率

在當(dāng)今競爭激烈的市場中，快速的開發(fā)時間仍然至關(guān)重要。這就是為什么快速且易于實施的解決方案變得越來越可取的原因。許多開發(fā)人員使用ARM? mbed?，Arduino?和Raspberry Pi?等微控制器平臺進行快速原型設(shè)計。通過附加板，可以輕松升級這些硬件平臺。此外，這些子板帶來了使用平臺板上的硬件無法執(zhí)行的硬件功能。功率累積是一種功能，可用于通過快速實施來監(jiān)控原型的性能。

使用附加功率器板，您可以在項目開發(fā)階段對任何系統(tǒng)電源軌進行功率測量。這提供了一種簡單的方法來測量軟件、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。如果需要對單個模塊進行功率測量，可以將檢測電阻和接線端子 d 放置到附加板上?；蛘?，您也可以將系統(tǒng)內(nèi)檢測電阻器路由到功率累加器附加板，而不是使用板載檢測電阻。無論應(yīng)用類型如何，使用功率累加器都能在設(shè)計階段提供有價值的數(shù)據(jù)。

布局和篩選階段的注意事項

在任何儀器應(yīng)用中，布局階段對于最小化測量誤差至關(guān)重要。功率監(jiān)控確實要求在開關(guān)轉(zhuǎn)換器附近放置元件;但是，開關(guān)干擾會在功率測量中引起誤差。這就是為什么通過適當(dāng)?shù)牟季€來降低耦合噪聲非常重要的原因。當(dāng)噪聲不可避免時，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。在電流檢測電阻兩端放置正確開爾文檢測連接的示例中，兩條電流檢測線的長度相等，并且彼此并聯(lián)布線，中間間距最小。

圖8.開爾文感應(yīng)連接。

MAX34407通過高邊測量工作，容易產(chǎn)生共模噪聲。因此，如果系統(tǒng)表現(xiàn)出過多的共模噪聲，則可能需要額外的濾波器。為了濾除不需要的噪聲，RC濾波器與電流檢測輸入串聯(lián)。在圖9中，您可以看到在每條電流檢測線路上使用兩個相同RC濾波器的共模濾波器配置。這有效地形成了共模信號的低通濾波器。由于濾波電阻與電流檢測路徑串聯(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，為避免負載效應(yīng)，請確保串聯(lián)濾波電阻遠小于功率累加器的輸入阻抗。濾波器的極點選擇遠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：

圖9.共模濾波器。

電源拓撲的內(nèi)部開關(guān)會導(dǎo)致電源的輸入電流非常嘈雜。這表現(xiàn)為通過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，其電阻必須遠大于功率累加器的輸入阻抗。差模濾波器的極點也被選擇為小于功率累加器的奈奎斯特頻率。兩個串聯(lián)電阻和電容為MAX34407輸入（即+IN1/-IN1）之間的差分信號產(chǎn)生一個極點。使用以下公式確定差模濾波器的極點：

圖 10.差模濾波器。

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

結(jié)論

對于任何需要保護或效率優(yōu)化的系統(tǒng)，功率累積都是一種不錯的方法。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銷?？傊?，這些功率累積設(shè)備提供系統(tǒng)塊的遙測數(shù)據(jù)，使您能夠根據(jù)電源性能做出決策。

審核編輯：郭婷