對于許多需要平均功率測量的應用，功率累加器是一個很好的解決方案。考慮實時測量開關轉換器效率，這樣就可以評估轉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，您可以監控電池供電的高密度系統中的電源管理集成電路（PMIC）。功率積累還可以通過在開發過程中監控各種系統電源軌來促進快速原型設計。記錄的數據可用于持續改進系統設計。本應用筆記討論了功率累加器在提供關鍵的實時功率測量方面非常寶貴的各種應用。

介紹

測量電氣系統中關鍵系統電源軌消耗的功率可提供重要系統功能的遙測數據。實時功耗數據使系統能夠執行動態優化以延長電池壽命。功率監控器對電源軌的電壓和電流進行采樣以產生瞬時功率測量，通常用于持續監控系統電源軌峰值功率的系統。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累積瞬時功率讀數，以便生成平均功率測量值。功率監視器需要額外的處理才能執行這種測量，這對于處理能力有限的系統來說是一項艱巨的任務。這就是為什么傳統的功率監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，可為系統主機提供平均功率讀數。

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，并添加多個讀數。芯片存儲累積功率和采樣計數信息。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，設備將累積的功率采樣和計數傳輸到主機可用的一組寄存器。然后，主機可以在任何時間間隔檢索數據，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據之前存儲示例：

主機收到功率累積和計數數據后，基本計算顯示平均負載功率。沒有積累電源數據的負擔，主機處理器可以專注于管理更重要的任務。功率累積數據由主機處理器使用比例因子進行轉換，比例因子由以下常量和公式確定。P行政協調會是累積功率值，COUNT 是功率樣本的總數：

MAX34407特定常數：

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數轉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

對于任何功率轉換器，效率都是最重要的規格之一。設計實施后，設計人員或最終用戶將無法獲得實時轉換器效率測量。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，并總體上實時監控轉換器的效率。

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） 的轉換器。可以使用以下公式將這兩個測量的結果發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降壓轉換器效率的典型電路。該電路的一個示例應用是12V太陽能電池板系統，其中主轉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，因此系統或設計人員可以根據在線測量優化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.效率測量應用電路

圖 3 顯示了使用四個臺式數字萬用表 （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，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果。

圖5.MAX34407補償效率測量與4-DMM方法的比較

圖5的結果表明，4數字萬用表和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轉換器的系統內效率，并具有適當的輸出功率補償。請注意，補償技術最適合紋波電壓為1%或更低的轉換器。

您的 PMIC 消耗多少功率？

監控PMIC電壓軌并根據功耗確定系統性能對于延長電池壽命非常重要。要確定哪些系統塊消耗的電量最多，您可以使用電源累積診斷。由此產生的數據將允許微控制器在系統模塊使用剩余電池容量的很大一部分時調整功能。

圖6所示為采用MAX34407功率累加器和MAX77650 PMIC的典型PMIC功率監測應用電路。MAX77650包含一個單電感多輸出（SIMO）轉換器，該轉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 電源監控。

密切關注董事會

對于具有高功率要求的系統，PMIC的有限功率能力并不理想。在這些系統中，多個轉換器共存以提供關鍵系統負載。監控累積功率可以幫助您根據可用電源功率管理系統負載，從而優化系統效率。典型的電源系統如圖7所示，MAX34407用于監測關鍵的系統電源軌。這包括用于監控系統輸入電源的輸入電壓軌。此外，還監控消耗最大功率的電源軌，以確定系統效率并保護高功率輸出。注意這些轉換器可以位于遠程位置，因此需要大量布線至MAX34407。為確保開關噪聲不會影響功率測量，MAX34407必須正確布線。（有關布局注意事項的更多詳細信息，請參閱本應用筆記的布局和濾波階段注意事項部分。

圖7.板/系統電源監控。

原型制作時監控功率

在當今競爭激烈的市場中，快速的開發時間仍然至關重要。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。許多開發人員使用ARM? mbed?，Arduino?和Raspberry Pi?等微控制器平臺進行快速原型設計。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控原型的性能。

使用附加功率器板，您可以在項目開發階段對任何系統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、傳感器或轉換器的效率，以及任何系統模塊的一般功耗。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。或者，您也可以將系統內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。無論應用類型如何，使用功率累加器都能在設計階段提供有價值的數據。

布局和篩選階段的注意事項

在任何儀器應用中，布局階段對于最小化測量誤差至關重要。功率監控確實要求在開關轉換器附近放置元件;但是，開關干擾會在功率測量中引起誤差。這就是為什么通過適當的布線來降低耦合噪聲非常重要的原因。當噪聲不可避免時，可以在功率監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，并且彼此并聯布線，中間間距最小。

圖8.開爾文感應連接。

MAX34407通過高邊測量工作，容易產生共模噪聲。因此，如果系統表現出過多的共模噪聲，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。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。因此，使用的濾波電阻應具有1%或更小的容差。此外，為避免負載效應，請確保串聯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。

電源拓撲的內部開關會導致電源的輸入電流非常嘈雜。這表現為通過高端檢流電阻向功率累加器發出的差模噪聲。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。兩個串聯電阻和電容為MAX34407輸入（即+IN1/-IN1）之間的差分信號產生一個極點。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。遠程執行功率測量的mbed或Arduino擴展板等應用需要這種方法。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路，從而降低了耦合噪聲。此外，雙絞線通過導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。

結論

對于任何需要保護或效率優化的系統，功率累積都是一種不錯的方法。從低功耗系統到高功率系統，每種情況下都需要確定關鍵系統電源軌的功耗。使用專用的功率累積硬件還提供了額外的好處，即消除了傳統電源監視器所需的大量處理器開銷。總之，這些功率累積設備提供系統塊的遙測數據，使您能夠根據電源性能做出決策。

審核編輯：郭婷