如何使用功率累加器进行实时功率测量

对于许多需要平均功率测量的应用，功率累加器是一个很好的解决方案。考虑实时测量开关转换器效率，这样就可以评估转换器效率随时间变化和在不同工作条件下的变化。通过将这种方法扩展到多个电源轨，您可以监控电池供电的高密度系统中的电源管理集成电路（PMIC）。功率积累还可以通过在开发过程中监控各种系统电源轨来促进快速原型设计。记录的数据可用于持续改进系统设计。本应用笔记讨论了功率累加器在提供关键的实时功率测量方面非常宝贵的各种应用。

介绍

测量电气系统中关键系统电源轨消耗的功率可提供重要系统功能的遥测数据。实时功耗数据使系统能够执行动态优化以延长电池寿命。功率监控器对电源轨的电压和电流进行采样以产生瞬时功率测量，通常用于持续监控系统电源轨峰值功率的系统。然而，平均功率需要更大的计算。在这些情况下，必须在指定的时间间隔内累积瞬时功率读数，以便生成平均功率测量值。功率监视器需要额外的处理才能执行这种测量，这对于处理能力有限的系统来说是一项艰巨的任务。这就是为什么传统的功率监控器不适合平均功率测量的原因。在这里，功率累加器是更好的选择，因为它们集成了累加功能，可为系统主机提供平均功率读数。

蓄能器的工作原理

为了获得累积的功率值，功率累加器测量电压和电流样本，将它们相乘以获得功率读数，并添加多个读数。芯片存储累积功率和采样计数信息。图1所示为MAX34407框图，给出了该过程的示例。

图1.MAX34407功率累加器框图

MAX34407采用多路复用器、电流检测放大器和12位ADC，自动采集来自4个通道的电流和电压样本。为了为每个采样对生成28位功率值，这些电压和电流样本在片内相乘。功率值相加并存储在48位寄存器中，累积的瞬时功率采样计数存储在24位寄存器中。MAX34407不需要外部采样时钟，因此，通过自动时序器和集成振荡器，芯片是完全自主的。

带 I2来自主机的C/SMBus命令，设备将累积的功率采样和计数传输到主机可用的一组寄存器。然后，主机可以在任何时间间隔检索数据，并且传输不会丢失样本。在正常模式下，MAX34407采样速率为1024sps。由于累积深度为 48 位，而单个样本为 28 位，因此 220可以在主控制器需要回读数据之前存储示例：

主机收到功率累积和计数数据后，基本计算显示平均负载功率。没有积累电源数据的负担，主机处理器可以专注于管理更重要的任务。功率累积数据由主机处理器使用比例因子进行转换，比例因子由以下常量和公式确定。P行政协调会是累积功率值，COUNT 是功率样本的总数：

MAX34407特定常数：

电压检测满量程，V司 司长= 16V

电流检测满量程，V意义= 100mV

功率累积字长，28 位

比例因子：

满量程电流，

功率标度校正，P规模= V司 司长× I司 司长

最低有效功率位，

平均功率计算：以上提供了使用MAX34407将累积ADC数转换为平均功率的示例。由于功率蓄能器具有不同的功能和操作，因此请务必考虑每个功率蓄能器的具体操作。

使用单个 IC 进行效率测量

对于任何功率转换器，效率都是最重要的规格之一。设计实施后，设计人员或最终用户将无法获得实时转换器效率测量。这些测量值随时间和工作条件而变化，还可能受到组件漂移、负载条件、温度和湿度等因素的影响。具有多个电源轨的功率累加器提供单一IC方法，用于进行效率测量，并总体上实时监控转换器的效率。

由于MAX34407在多个电源轨上累积功率，因此可以通过在输入端累积功率来测量效率（P在）和输出（P外） 的转换器。可以使用以下公式将这两个测量的结果发送到微处理器进行效率计算：

在图2中，可以看到使用MAX34407功率累加器测量MAXM17504降压转换器效率的典型电路。该电路的一个示例应用是12V太阳能电池板系统，其中主转换器通常采用最大功率点跟踪（MPPT）算法。由于实时效率测量提供MPPT算法性能的反馈，因此系统或设计人员可以根据在线测量优化MPPT算法。MAXM17504输入电压范围为12V±10%，适合MAX34407+2.7V至+15V共模电压范围。检流放大器的满量程范围为100mV，因此在输入端使用50mΩ电阻以获得2A的最大输入电流，在输出端使用一个25mΩ电阻以获得4A的最大输出电流。

图2.效率测量应用电路

图 3 显示了使用四个台式数字万用表 （DMM） 测量效率的另一种方法。通过测量输入电流、输出电流、输入电压和输出电压，4-DMM 方法可提供高精度的效率测量。这种方法可用作基准测量值，以便与从功率累加器IC获得的效率测量值进行比较。MAX34407与4-DMM效率测量方法的效率比较见图4。

图3.使用4个数字万用表的效率测量电路。

图4.MAX34407效率测量与4-DMM方法的比较
 

这两种方法存在明显的失调，这源于输出检流电阻的功耗。由于MAX34407测量来自检测电阻较低电压端的共模负载电压，因此该值包含在输入功率测量中，而不是输出功率测量中。您可以通过添加计算出的检测电阻功耗来补偿测得的输出功率，从而产生总输出功率。下面，您可以看到用于补偿效率测量的公式。P外和 V外由MAX34407和R测量意义是已知值。图5显示了补偿效率测量的结果。

图5.MAX34407补偿效率测量与4-DMM方法的比较

图5的结果表明，4数字万用表和MAX34407效率测量的最大差异为-0.5%。由此可见，MAX34407可用于精确测量开关转换器的系统内效率，并具有适当的输出功率补偿。请注意，补偿技术最适合纹波电压为1%或更低的转换器。

您的 PMIC 消耗多少功率？

监控PMIC电压轨并根据功耗确定系统性能对于延长电池寿命非常重要。要确定哪些系统块消耗的电量最多，您可以使用电源累积诊断。由此产生的数据将允许微控制器在系统模块使用剩余电池容量的很大一部分时调整功能。

图6所示为采用MAX34407功率累加器和MAX77650 PMIC的典型PMIC功率监测应用电路。MAX77650包含一个单电感多输出（SIMO）转换器，该转换器采用具有三个集成降压-升压输出的单电感。该PMIC包含一个模拟多路复用器（AMUX），它可以提供电池（BATT）或充电（CHGIN）信息，如电压或电流。为了轻松测量额外的PMIC电源轨并向中央处理器提供反馈，可以添加MAX34407等功率累加器。

图6.PMIC 电源监控。

密切关注董事会

对于具有高功率要求的系统，PMIC的有限功率能力并不理想。在这些系统中，多个转换器共存以提供关键系统负载。监控累积功率可以帮助您根据可用电源功率管理系统负载，从而优化系统效率。典型的电源系统如图7所示，MAX34407用于监测关键的系统电源轨。这包括用于监控系统输入电源的输入电压轨。此外，还监控消耗最大功率的电源轨，以确定系统效率并保护高功率输出。注意这些转换器可以位于远程位置，因此需要大量布线至MAX34407。为确保开关噪声不会影响功率测量，MAX34407必须正确布线。（有关布局注意事项的更多详细信息，请参阅本应用笔记的布局和滤波阶段注意事项部分。

图7.板/系统电源监控。

原型制作时监控功率

在当今竞争激烈的市场中，快速的开发时间仍然至关重要。这就是为什么快速且易于实施的解决方案变得越来越可取的原因。许多开发人员使用ARM® mbed®，Arduino™和Raspberry Pi®等微控制器平台进行快速原型设计。通过附加板，可以轻松升级这些硬件平台。此外，这些子板带来了使用平台板上的硬件无法执行的硬件功能。功率累积是一种功能，可用于通过快速实施来监控原型的性能。

使用附加功率器板，您可以在项目开发阶段对任何系统电源轨进行功率测量。这提供了一种简单的方法来测量软件、传感器或转换器的效率，以及任何系统模块的一般功耗。如果需要对单个模块进行功率测量，可以将检测电阻和接线端子 d 放置到附加板上。或者，您也可以将系统内检测电阻器路由到功率累加器附加板，而不是使用板载检测电阻。无论应用类型如何，使用功率累加器都能在设计阶段提供有价值的数据。

布局和筛选阶段的注意事项

在任何仪器应用中，布局阶段对于最小化测量误差至关重要。功率监控确实要求在开关转换器附近放置元件;但是，开关干扰会在功率测量中引起误差。这就是为什么通过适当的布线来降低耦合噪声非常重要的原因。当噪声不可避免时，可以在功率监视器输入端放置滤波器，以滤除共模噪声或差模噪声。在电流检测电阻两端放置正确开尔文检测连接的示例中，两条电流检测线的长度相等，并且彼此并联布线，中间间距最小。

图8.开尔文感应连接。

MAX34407通过高边测量工作，容易产生共模噪声。因此，如果系统表现出过多的共模噪声，则可能需要额外的滤波器。为了滤除不需要的噪声，RC滤波器与电流检测输入串联。在图9中，您可以看到在每条电流检测线路上使用两个相同RC滤波器的共模滤波器配置。这有效地形成了共模信号的低通滤波器。由于滤波电阻与电流检测路径串联放置，因此这些电阻必须匹配良好，以防止功率测量中的失调。因此，使用的滤波电阻应具有1%或更小的容差。此外，为避免负载效应，请确保串联滤波电阻远小于功率累加器的输入阻抗。滤波器的极点选择远低于累加器的奈奎斯特采样频率。使用以下公式确定共模滤波器的极点：

图9.共模滤波器。

电源拓扑的内部开关会导致电源的输入电流非常嘈杂。这表现为通过高端检流电阻向功率累加器发出的差模噪声。如图10所示，可以使用差模滤波器来衰减差模噪声。如前所述，共模滤波器的串联电阻必须匹配良好，其电阻必须远大于功率累加器的输入阻抗。差模滤波器的极点也被选择为小于功率累加器的奈奎斯特频率。两个串联电阻和电容为MAX34407输入（即+IN1/-IN1）之间的差分信号产生一个极点。使用以下公式确定差模滤波器的极点：

图 10.差模滤波器。

与蓄能器的板外连接需要双绞线对。远程执行功率测量的mbed或Arduino扩展板等应用需要这种方法。在连接到检流电阻端子的双绞线对的典型配置中，双绞线对减少了两根电流检测线之间的环路，从而降低了耦合噪声。此外，双绞线通过导线之间的电感耦合提供差模滤波。负载功率的遥感也需要双绞线对。

结论

对于任何需要保护或效率优化的系统，功率累积都是一种不错的方法。从低功耗系统到高功率系统，每种情况下都需要确定关键系统电源轨的功耗。使用专用的功率累积硬件还提供了额外的好处，即消除了传统电源监视器所需的大量处理器开销。总之，这些功率累积设备提供系统块的遥测数据，使您能够根据电源性能做出决策。

审核编辑：郭婷