La integración de Pasivos de potencia y táctico compensaciones para la eficiencia de energía: Parte 2, Balance - Trabajar a través de todas las opciones

Nota de aplicación 5570

La integración de Pasivos de potencia y táctico compensaciones para la eficiencia de energía: Parte 2, Balance - Trabajar a través de todas las opciones

Por:
Bill Laumeister, Ingeniero de aplicaciones estratégicas

08 de marzo 2013

Resumen: La eficiencia energética es un elemento fundamental de cualquier diseño. La administración de energía se ha vuelto más complejo, con cada conteo microamperios en la búsqueda para prolongar la duración de la batería o reducir al mínimo el calor. Esta nota de aplicación estudia ingeniería paradójico compensaciones, tales como la reducción de onda en fuentes de alimentación conmutadas y el poder de gestión en los modos de espera y el sueño, para lograr una mayor eficiencia de energía.

Una versión similar de este artículo apareció en electronica , 15 de febrero de 2013.

Introducción

Eficiencia de energía que han tenido que lidiar con eso en nuestros diseños. Siempre es un elemento fundamental de cualquier diseño, la gestión actual de energía es un tema particularmente complejo y difícil porque hay que contar cada microamperios para prolongar la duración de la batería o reducir al mínimo el calor. A veces ser un ingeniero de diseño se siente como caminar en la cuerda floja. Se resuelve por iteración, revisar los diferentes modos de funcionamiento, vuelva a definir las condiciones y el balance de ventajas y desventajas con las necesidades de la aplicación.

Esta nota de aplicación es el segundo de una serie sobre la eficiencia energética. La primera nota, aplicación 5569, " La integración de Pasivos de potencia y táctico compensaciones para la eficiencia de energía: Parte 1, Harmony - Design como un director de orquesta ", trata sobre cómo un ingeniero de diseño debe identificar las deficiencias aún pequeños en la estructura de poder que podrían afectar negativamente la eficiencia energética. Como un conductor musical, los ingenieros de control de los parámetros de energía que resultan en un sistema armónico, eficiente ... o por el contrario, algo menos que ideal. En esta nota de aplicación, continuamos explorando muchos de la ingeniería contradictoria, incongruente y paradójico compensaciones a nuestra disposición. Si nos fijamos bien, de hecho, llevamos a cabo un acto de equilibrio con cada decisión de diseño.

Impacto duradero de cambios aparentemente menores

El reto universal (o, a veces una maldición) del diseño de circuitos es reducir el ruido y la onda expansiva en las fuentes de alimentación con un mínimo de componentes. Esto está en el corazón de la eficiencia de suministro de energía. Puede ser un objetivo difícil de alcanzar, e incluso aparecen sin sentido a la experiencia. Sin embargo, cada cambio aparentemente pequeño tiene un impacto. ¹

Un diseñador inteligente de energía se mueve de un inductor de un octavo de pulgada y lo gira 90 grados en una placa.Como resultado, la eficiencia de potencia aumenta 20%. Aquí es donde los condensadores de potencia de desacoplo y la fuente de entrada de impedancia o resistencia son críticos. ² Un diseñador inexperto intenta salvar peniques y pierde energía en forma de calor cuando condensadores inferior con una mayor resistencia en serie equivalente (ESR) se utilizan.Por el contrario, la eficacia de un condensador de desacoplamiento de fuente de alimentación se puede aumentar mediante la adición de inductores, resistencias de la serie, y los granos de ferrita para hacerlos en filtros de paso bajo.Esta técnica ayuda cuando la aplicación tiene un conocido sensible ancho de banda requisito. Podemos optimizar el rechazo del ruido y reducir la disociación capacitancia tamaño entendiendo el ancho de banda de las necesidades de la aplicación. ³ Echemos un vistazo más de cerca a algunos de los problemas de diseño y compensaciones disponible para nosotros, y cómo podemos negociar a través de la compensación de cada uno. ⁴

La reducción de la ondulación

Cambio de fuentes de alimentación tienen rizado de salida. Un enfoque consiste en utilizar el filtrado para reducir esta ondulación. Otro enfoque es crear menos ondulación mediante el uso de conmutadores múltiples que son el tiempo de entrelazado. El enfoque más común emplea dos o tres dispositivos de fase. El hecho de que dos o tres trenes ondulación síncronos se combinan reduce el rizado. Bueno, sí, pero hay un trade-off con el número de componentes: por lo general dos o tres pequeños inductores son necesarios (uno por cada fase). ⁵

Otra consideración importante es la ondulación de la tensión permitida. En el caso de una red GSM ^® teléfono celular, los impulsos de energía se producen en 217Hz y sus armónicos. Cambios internos de la batería impedancia con la corriente consumida, lo que hace un condensador de desacoplamiento través de la batería importante. ¿Cuánta capacidad se necesita? No hay una respuesta simple. Se convierte en un proceso iterativo para optimizar desacoplamiento de energía.Junta de diseño, el tamaño del condensador, y dieléctricos tener grandes efectos sobre la complejidad del sistema. Por otra parte, haciendo que la energía tan limpia como sea posible sin más limpieza fácilmente podría requerir energía adicional condensadores de desacoplamiento o capacitancia.

Maximización de uso corriente para circuitos múltiples

Vamos a hablar acerca de los circuitos apilados. Supongamos que tenemos dos conjuntos de circuitos digitales que atraen a una cantidad similar de corriente. Los circuitos tienen pocas entradas y salidas y puede ejecutarse en aproximadamente 2,5 V, pero la tensión de alimentación es de 5V. Podemos utilizar una fuente de dinero y hacer cambio de 2,5 V con una pérdida de poco calor. ¿Cómo sobre el apilamiento de circuitos en la parte superior de la otra? Por ejemplo, el circuito 1 funciona desde el suelo hasta 2,5 V y el circuito 2 funciona entre 2,5 V y 5V. En efecto, estamos usando el doble de la corriente. La potencia disipada en los circuitos 1 y 2 sigue siendo la misma y sin calor adicional es producida por un convertidor reductor. Hay, sin embargo, un inconveniente porque los voltajes que entran y salen de los circuitos deben ser traducidos arriba y hacia abajo. En comparación con el convertidor reductor, traduciendo algunas señales es menos complejo, consume menos energía y produce menos calor.

Suministros de conmutación

Giradores transformar la capacitancia en la inductancia. Mientras giradores no puede almacenar energía como una bobina real en una fuente de alimentación de conmutación, que son muy útiles para usar como filtros de paso bajo de energía.Suministros de conmutación pueden utilizar inductores roscados, autotransformadores y transformadores reales con múltiples devanados para el aislamiento. Las fuentes más eficaces son los que se adaptan a sus cargas. Conocer la aplicación del sistema permite regular la cantidad de maestro y permitir subproveedores para operar bucle abierto. ⁶

Disipadora de energía y reducción de voltaje

Los circuitos lógicos para complementarios de óxido de metal (CMOS semiconductores) ( Figura 1 ) se disipan potencia de dos maneras: a través de las fugas y a través de la carga y descarga de capacitancia cuando se cambia. Fuga tiende a ser IC-proceso dependiente. Como los transistores se reduce de tamaño, la tensión de alimentación se reduce y las capas de aislamiento se hacen más delgados. Corriente de fuga, ya sea en polarización inversa unión o subumbral actual, generalmente se pierde el poder, ya que no contribuye a la tarea en cuestión. Operativo o de potencia dinámica es típicamente órdenes de magnitud mayor que la corriente de fuga. Ver la Figura 2 .

Figura 1. Un típico CMOS circuito de entrada.

Figura 2. El voltaje en un pin de entrada CMOS vs corriente de alimentación. Los datos corresponden al MAX5391 potenciómetro digital.

No hay más que decir acerca de conmutación: cuanto mayor es la frecuencia de conmutación, mayor es la pérdida de potencia. El ahorro de energía más grandes con conmutación viene de la reducción de la tensión de servicio. Dividiendo la tensión por dos, mientras que el mantenimiento de la capacitancia y la frecuencia, reduce el consumo de potencia por un factor de cuatro. Esto se explica por la fórmula P = CV ² f, donde los términos son de potencia, capacitancia, voltaje y frecuencia. Todos los términos son lineales excepto tensión, que es cuadrática. Esto explica por qué tensión tiene un efecto tan grande.

La reducción de voltaje trae otras compensaciones. Una oscilación de voltaje más bajo hace inmunidad al ruido problemático. Si se opta por medio voltaje relojes, uno debe traducir el voltaje arriba y hacia abajo. El óxido de metal-semiconductor (MOS) transistores ser más lento debido a que las tensiones de umbral no se puede escalar con la tensión. Esto puede ser un problema importante si usted necesita para evitar la corriente de fuga desproporcionada.

La reducción de la capacitancia

La reducción de capacidad en un diseño siempre ha sido una buena manera de mejorar el rendimiento y menor consumo de energía. Hay dos categorías de capacitancia:. Parasitarias e inevitable ^{7, 8} Puesto que es el producto de la capacitancia y la frecuencia que cuenta, que puede compensar una por la otra. Siempre reducir la capacitancia parásita medida de lo posible, para la capacitancia inevitable, tratar de reducir la frecuencia. ⁹ Un método eficaz de reducir la frecuencia de conmutación es detener el reloj con sincronización de reloj. Esto elimina cualquier conmutación y cortar la alimentación de circuitos que no son necesarios para la función actual. Algunos procesadores de dormir con frecuencias de reloj muy reducidos. En lugar de megahertz velocidades de reloj, se puede utilizar un reloj 32kHz. Un cristal de 32 kHz es una frecuencia de reloj común. De esta manera, el procesador puede realizar un seguimiento preciso del tiempo y se despierta a intervalos precisos.

Administración de energía en los modos de espera y de sueño

Comprender la relación entre la aplicación de la operación de los modos de espera o el sueño es esencial para optimizar el consumo de energía. El proceso de fabricación IC afecta en gran medida el consumo de energía en algunos aspectos sutiles como veremos más adelante. Los ingenieros comenzaron a pensar en esto hace unos años cuando funcionan con baterías dispositivos debían durar 10 años entre cambios de batería. Estos dispositivos incluyen el gas natural y residencial contadores de agua, y el humo y monóxido de carbono (CO) alarmas. Otro ejemplo llamativo es un horno de microondas con un reloj. El reloj funciona 24/7 y el horno de microondas se usa unos minutos al día, por lo que el costo de la energía más de un año puede ser igual que el horno y el reloj. "Poder Vampire" es lo que llamamos el poder invisible utilizado durante el sueño o cuando la operación está aparentemente cerrado .

Podemos usar un ejemplo hipotético para ilustrar el tema. Tenemos dos procesos de IC. Escenario A se basa 15mA durante la operación y 50nA en modo de suspensión. Dejamos a la corriente de operación para el escenario B a 6 mA, pero la fuga llega hasta 250nA. Esta fuga en el escenario B afecta gravemente a la aplicación de baterías donde el dispositivo debe dormir más del 99,99% de las veces para que la batería tiene una duración de años. Un dispositivo que está despierto un segundo por día es una parte en 86.400. En el escenario A, la corriente total usada es 0,01932 segundos amplificador al día (es decir, 0,015 segundos durante el funcionamiento del amplificador, amplificador 0,00432 segundos en el modo de reposo). En el escenario B, el total es de 0,02760 segundos amplificador (es decir, 0,006 segundos durante el funcionamiento de amplificador y amplificador de 0,0216 segundos en modo de reposo). Surprise.Escenario B con el "mejorado", nueva corriente de funcionamiento más baja en realidad realiza peor! A riesgo de predicar demasiado, este ejemplo pone de relieve la necesidad de entender la aplicación y la interacción de los procesos de fabricación IC muy bien.

¿Cómo podemos reducir la energía de reserva en un aparato de consumo que necesita el control remoto? Existen numerosas posibles respuestas. Si el indicador de alimentación es necesaria para la confianza de los clientes, podemos hacer que el parpadeo del LED para unos pocos microsegundos, lo que es más corto que un parpadeo humano y por lo tanto es fácilmente visible a la gente.

Otra opción para reducir la energía de reserva es hacer que el infrarrojo radiación (IR) receptor dormir la mayor parte del tiempo. Para ello, el control remoto debe ser durante dos segundos cuando el "ON", se presiona el botón, el "ON" código IR se modula con repetidos "ON" códigos que son únicos para ese tipo de dispositivo. El aparato, incluyendo el microprocesador para reconocer el código de IR, está fuera tanto como sea posible. Cuando el receptor de infrarrojos está despierto, tiene un filtro de paso de banda que permite la modulación IR pasar y rectificar su salida. Esto hace que el receptor ignore la luz solar y remotos IR a otras frecuencias. Cuando IR modulación se detecta, el microprocesador se enciende para ver si el código coincide con el código de IR para este aparato. Se puede utilizar el resto de los dos segundos "ON" comando para hacer esto. Si el código coincide, el dispositivo despierta. Si el código no coincide, el aparato se vuelve a dormir. Este enfoque reduce la potencia del circuito de funcionamiento en modo de espera y utiliza el bandpassed, rectificado señal "ON" para minimizar la posibilidad de falsas llamadas despertador.

Hay otra situación importante a considerar aquí. ¿Qué pasa si la potencia de entrada de CA está perdido? ¿El dispositivo permanezca apagado hasta que la gente usa el control remoto para encenderlo? Aquí debemos tener en cuenta la seguridad del aparato y tal vez el entorno operativo también. Por ejemplo, no queremos un horno, secador de pelo, o aparato de calefacción a encender sin previo aviso e iniciar un incendio.

Modos de Gestión para prolongar la duración de batería

Conocer el comportamiento exacto de la carga de la fuente de alimentación nos permite personalizar los cambios de modo que coincida con las condiciones de la batería. Los circuitos pueden ser clasificados de acuerdo a su capacidad para aceptar cambios en la tolerancia de tensión o regulación. ¹⁰

• Circuitos analógicos con los estrictos requisitos de la regulación de tolerancia: ADCs, DACs, amplificadores de potencia de RF
• Circuitos analógicos con tolerancia regulación más amplia: Amplificadores operacionales y circuitos con buenas relaciones de rechazo de fuente de alimentación (PSRRs)
• Circuitos digitales con estrechas tolerancias de tensión: entradas y salidas (E / S) y las interfaces externas
• Circuitos digitales con tolerancias estrictas de media tensión: CPUs y memoria
• Circuitos digitales con tolerancias de tensión sueltos: la lógica al azar y máquinas de estado

Un teléfono celular es un ejemplo de cómo los cambios de modo se puede prolongar la vida útil de la batería. Cuando la batería está casi completamente cargada, un interruptor puede suministrar el voltaje de la batería directamente a algunos circuitos y el uso de un convertidor reductor para otros circuitos. Como las caídas de tensión de la batería, la potencia desde el convertidor buck se puede cambiar a recibir directamente energía de la batería. Además, como la tensión de la batería sigue bajando, la tensión puede ser necesario un convertidor de refuerzo para maximizar la vida de la batería. A partir de este ejemplo, se puede apreciar cómo la comprensión de la carga de alimentación y su sensibilidad puede ser una ventaja para extender la vida de la batería.

Un smartphone moderno puede funcionar en modos diferentes, cada una de las cuales tiene sus propios problemas de energía. He aquí la clave de la eficiencia energética éxito es la comprensión de la aplicación también. En virtud de alta potencia que puede operar como un teléfono en full-duplex modo, transmitir y recibir simultáneamente. La transmisión probablemente parece continua al usuario. Un ingeniero, sin embargo, podría ver cualquiera de potencia pulsante como el sistema transmite en una ranura de tiempo (tiempo de acceso múltiple por división, o TDMA , un Sistema Global para Móviles temprano ( GSM ) de comunicación) o el consumo de energía más continua en una secuencia directa de amplio sistema de espectro (código de acceso múltiple por división, o CDMA). ¹¹

Modos de operación también cambian para adaptarse a las configuraciones específicas de operación. Uso del teléfono inteligente de nuevo como ejemplo, puede tener una docena o más de los modos de funcionamiento, como el modo avión (no hay transmisión de radio), Wi-Fi ^® de sólo transmisión, reproductor de MP3, paso a paso las direcciones con display encendido, apagado , o tenue, el modo de juego, sólo texto, cámara, Skype ^® , lector de libros electrónicos, y miles de aplicaciones. En estos modos se encuentran las oportunidades para extender la vida de la batería al desactivar circuitos que no sean necesarios.

Conclusión

El conocimiento es poder. El conocimiento detallado de la aplicación es la herramienta más poderosa de que dispone el diseñador. Se dicta los límites de la cuestión, pero todavía permite que el ingeniero inteligente para pensar creativamente, reducir el tamaño y el costo, aumentar la vida útil de la batería, y en última instancia proporcionar un entorno operativo agradable para el usuario.

Todo esto puede parecer obvio para la mayoría de los ingenieros y los lectores. Sin embargo, la tarea y el esfuerzo para optimizar la eficiencia de energía no son tan sencillas como parecen. Con cada desafío, y sin duda con cada decisión, el diseñador debe poder equilibrar el comercio-offs como si caminar sobre una cuerda floja. La interacción de incluso pequeños cambios en otros circuitos aparentemente sin relación requiere una vigilancia constante. Así pues, nuestro proceso de diseño debe ser iterativo, cambiando pequeñas cosas para optimizar el consumo de energía del sistema en general. Esta es la razón por la que un buen diseñador experimentado puede poder hacer magia para extender su vida útil.

Referencias

1. Tutorial 660: " regulador Topologías para sistemas alimentados por baterías . "
2. Nota de aplicación 3166, " Resistencia Fuente: The Killer Eficiencia en DC-DC Converter Circuitos ".
3. Tutorial 986, " Explicación de entrada y de salida de ruido en Convertidores Buck ".
4. Tutorial 2031, " DC-DC convertidor Tutorial ".
5. Nota de aplicación 4596, " Mejorar el rendimiento de dos fases Convertidor Buck con una topología Coupled-Choke ".
6. Tutorial 716, " Disposición adecuada y la selección de componentes Controles de EMI . "
7. Nota de aplicación 842, " Mathcad Calcula condensador de entrada para Step-Down Regulador Buck ".
8. Para un análisis de las pérdidas del inductor y el condensador, ver nota de aplicación 4266, " Un manual para la Eficiencia Switch-Mode, DC-DC Power Supplies Converter ".
9. Para una discusión de buenos fundamentos, ver el tutorial de 1897, " La construcción de una fuente de alimentación DC-DC que trabaja ".
10. Nota de aplicación 3174, " Selección de administración de energía del teléfono celular ".
11. Nota de aplicación 3434, " Reducción de potencia de RF para CDMA / WCDMA Teléfonos celulares ".

GSM es una marca registrada y marca de servicio registrada de GSMA. Skype es una marca comercial registrada de Skype Corporation Limited. Wi-Fi es una marca registrada de certificación de la Wi-Fi Alliance Corporation.

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