具有效率、可靠性和成本优势的精确动态电源管理技术

满足限制能耗和设备维护要求

作者：Richard Kroeger，应用工程师，国际整流器

为了节省成本和尺寸，现代系统的设计人员都是在严紧的热度范围内使用动态电源管理技术来限制能耗和对设备进行维护。不过，为动态功率监控开发的技术可能受到高达30%误差的影响。现在，一种新技术可以大幅度降低动态误差，并实现2.5%精度以内的功率测量，为降低功耗、减少冷却系统需求和增加可靠性带来优势。

图1显示了测量PC等高性能设备的降压式转换器输出功率的一个典型电路的逻辑方法。在乘以计算表达式的平均功耗之前，需要对电流和电压进行独立采样、滤波和转换。

图1.测量PC等高性能设备的降压式转换器输出功率的方法

图2显示了这种方式可能受到大误差影响的结果。实例波形每秒都在重复。固定蓝电压波形阶跃为1V至1.5V，反电压间隔为500ms，平均电压为1.25V，以蓝色虚线表示。固定绿色电流波形阶跃为2A至12A，平均反向电流为7A，以绿色虚线表示。只要尝试将这两个平均值相乘即（1.25V * 7A）= 8.75W，如红色虚线所示。不过，有效功率是通过固定红色功率波形的平均值表示的。在这种情况下，有效功率高于14%平均电压电流乘积。在需要大或快速动态负载变化系统中，误差可能是相当大的。

图2.受到大误差影响的结果

图3说明了一种动态功耗测量的替代方法。通过增加转换器输出的瞬时电流和电压，然后执行A-D转换的平均，就可以消除大多数动态误差。

图3. 一种动态功耗测量的替代方法

通过监控瞬时功率，这种技术可以为电源系统提供精确的信息，可以用来将CPU限定在闭环较大功率，来优化系统性能和峰值温度。利用这种方式，系统可以确保负载不超过其较佳热度范围。

这可以保证系统设计人员准确预测所有工作条件下的性能和吞吐量，还可以优化冷却系统性能，而不需要因过度设定付出成本和尺寸的代价。

国际整流器IR3721 TruePower™ 监控利用这种技术来以高精度采集高度动态功率信息。该器件有助于设计人员在转换器的输出端实现一个附加电阻器，它可以用于检测目的，或检测者转换器输出滤波电感器的等效DC电阻的电流（DCR）。这种技术无需分立式检测电阻器，有助于实现无损耗功率测量。

电感器电流检测

图4显示了IR3721的典型应用电路，可以检测电感器等效DC电阻的电流。

图4. IR3721的典型应用电路

如图4所示，来自降压式转换器电感器的功率流是输出电压与流过电感器的电流I_L的乘积。IR3721的内部TruePower™ 电路把电流转换成一个出现在DI引脚的占空比。DI引脚的占空比为：

DI引脚的振幅是出现在引脚VK的电压。如果一个固定电压施加在VK，则由DI驱动的RC滤波器的输出将与电感器电流I_L成正比。

如果如图所示在VK上施加了VO，则驱动RC网络的DI输出将与功率成正比。由于该引脚测量DCR压降，它必须与降压式电感器输出进行Kelvin连接。芯片上给出的可以测量到的满度电压为1.8V。可以测量到的满度功率P_FS是满度电压与满度电流的乘积。

由于铜绕组的DCR随温度改变，所以，有了I_L值。包括一个NTC热敏电阻的补偿网络连接至IR3721的V_RT引脚来补偿这个结果。

电阻器检测应用

图5所示电路说明了采用一种专用检测电阻器的电流检测方法。由于分流电阻器上的电压与通过电感器的电流I_L直接成正比，R_CS2和C_CS2不需要匹配L/DCR时间常数。

图5. 采用一种专用检测电阻器的电流检测方法

由于分流电阻的值不像电感器DCR那样随温度改变，R_T是一个固定电阻器。需要使用精密的电阻器，如容差为1%的25.5kΩ。

输出信号调节

内部双边开关使用VK引脚的电压来调节DI引脚的振幅。如果VK连接至一个固定电压乘法器，则输出与电流成正比。如果VK连接至降压式转换器输出电压，则驱动RC滤波器的DI输出与功率成正比。

DI引脚用于驱动外部低通滤波器以限制基频纹波。RC滤波器在较高频率传递功率信息。如果在高于要测试的较高频率需要更多纹波衰减，多极滤波器也是一种选择。

结论

精确监控低电压DC-DC转换器输出功率的技术对改善PC和电信网络设备等空间受限应用的效率可靠性及降低成本非常关键。

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