技術(shù)干貨丨Power On-the-Go：瑞薩電子的先進便攜式電源系統(tǒng)

Aakash Kamal Nihalani

Product Marketing Engineer Intern

在當(dāng)今移動性日益增強的世界中，對高效、多功能和便攜式電源解決方案的需求不斷增長。無論是用于戶外活動、遠(yuǎn)程工作設(shè)置還是緊急備用系統(tǒng)，用戶都需要能夠處理多種設(shè)備和能源輸入的可靠電源。瑞薩電子開發(fā)了一套先進的便攜式電源系統(tǒng)，旨在提供高性能和靈活性的全面解決方案，以滿足這些需求。該解決方案特別適用于便攜式發(fā)電站、儲能系統(tǒng)（ESS）、不間斷電源（UPS）甚至電動汽車（EV）充電等應(yīng)用。此外，瑞薩電子的R-BMS F固定固件解決方案簡化了這些便攜式電源系統(tǒng)中的電池電量計量功能。

設(shè)計挑戰(zhàn)

設(shè)計滿足現(xiàn)代需求的便攜式電源系統(tǒng)存在一些挑戰(zhàn)。主要障礙之一是電源多功能性——能夠支持多種輸入和輸出選項，以適應(yīng)各種設(shè)備和電源。隨著現(xiàn)代設(shè)備對輸出的要求越來越高，例如筆記本電腦的功耗高達(dá) 240W，USB Power Delivery（USB PD）3.1擴展功率范圍（EPR）等高級充電功能變得至關(guān)重要。瑞薩通過集成多種電源輸入和輸出（包括USB-C、AC/DC以及通過智能太陽能電池充電器的太陽能輸入）來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，確保系統(tǒng)能夠處理各種電源，同時在不同用例中保持效率。

另一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是能源效率。最大化電源轉(zhuǎn)換效率對于延長電池壽命和減少能源浪費至關(guān)重要，尤其是在功耗敏感的便攜式應(yīng)用中。

瑞薩的解決方案通過整合基于RA6T2 Arm ^? 內(nèi)核MCU和650V SuperGaN FET的高效雙向數(shù)字AC/DC轉(zhuǎn)換器來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。無論系統(tǒng)是充電還是放電，這些組件都能確保最佳功率轉(zhuǎn)換，從而最大限度地減少能量損失。

此外，電池管理在確保安全性、使用壽命和最佳性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。管理多串電池并集成太陽能等可再生能源是一個復(fù)雜的過程，必須對充電周期和電池平衡進行精確控制。

瑞薩電子電量計IC（FGIC）通過高精度監(jiān)測電池健康狀態(tài)以及管理電池的荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）估算，實現(xiàn)這一控制。瑞薩電子近期推出了 R-BMS F 固定固件解決方案套件，大幅縮短了電池管理和電量檢測系統(tǒng)的設(shè)計時間。適用于該應(yīng)用的R-BMS F固定固件解決方案套件為采用 RAJ240100GFP的RTK0EF0136DK0002BU。

智能太陽能電池充電器的集成進一步簡化了太陽能集成到系統(tǒng)中的過程，而不會影響整體性能。

最后，必須仔細(xì)平衡重量和便攜性，以確保系統(tǒng)在各種應(yīng)用中對用戶保持實用性。雖然該系統(tǒng)集成了多個組件來處理雙向充電和太陽能集成等復(fù)雜任務(wù)，但瑞薩電子的模塊化設(shè)計確保其保持輕量化，而不會犧牲功能或功率輸出。此外，RA2E1 MCU以其超低功耗和緊湊的尺寸而聞名，有助于減輕整體系統(tǒng)重量，同時為管理系統(tǒng)內(nèi)的各種任務(wù)提供必要的處理能力。

系統(tǒng)設(shè)置和解決方案

瑞薩電子的便攜式電源系統(tǒng)通過將幾個關(guān)鍵組件集成到一個有凝聚力的系統(tǒng)中來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。該綜合系統(tǒng)協(xié)同工作，創(chuàng)建了一個多功能且高效的電源管理系統(tǒng)。

該解決方案的核心是多輸入USB PD充電器，能夠從各種電源提供高達(dá)240W的功率，包括車輛電源、市電交流輸入（110V）和太陽能。該充電器支持具有雙向功能的USB PD 3.1 EPR，使其既可以為設(shè)備充電，也可以從外部接收電源。

該解決方案還具有數(shù)字功率因數(shù)校正+雙有源橋（PFC+DAB）充電器系統(tǒng)，能夠提供高達(dá)3.6KW的功率。該系統(tǒng)使用雙向數(shù)字AC/DC轉(zhuǎn)換器，基于瑞薩電子的高性能RA6T2 Arm內(nèi)核MCU和650V SuperGaN FET。該設(shè)計采用圖騰柱無橋功率因數(shù)校正（PFC）拓?fù)洌蟾鶧AB 隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)高效的雙向數(shù)字AC/DC電源轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)支持3至10節(jié)串聯(lián)鋰離子電池，可靈活應(yīng)用于各種場景。電池組由電量計IC （FGIC）管理，該IC將MCU設(shè)備和模擬前端（AFE）設(shè)備集成在一個封裝中。該組件可確保全面的電池監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)還包括一個太陽能充電器板，允許用戶利用太陽能電池板等可再生能源。ISL95338降壓-升壓控制器可有效管理太陽能輸入，確保在離網(wǎng)時太陽能電池板實現(xiàn)最佳充電。此功能使該解決方案成為戶外運動愛好者或可能無法使用傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)的理想選擇。

高級電池管理

瑞薩電子便攜式電源系統(tǒng)的一個突出特點是其先進的電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以電量計IC（FGIC）為中心。該IC通過其15位Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器（電壓測量精度為±5mV）和18位Delta-Sigma A/D電流積分電路（精度為±10mA）集成高精度電壓和電流測量功能，提供對電池性能的精確監(jiān)控和控制。這些精確的測量對于準(zhǔn)確估算電池的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)至關(guān)重要，而這些估算又是確保高效電池管理和延長電池壽命的關(guān)鍵因素。

FGIC還支持自診斷功能和功能安全功能，從而提高了整體可靠性。該系統(tǒng)會自動測量電池特性，例如容量和阻抗，以幫助根據(jù)劣化模式確定更換時間。此外，它通過分析電池組中電池單元之間的整體電壓差異來增強電池平衡，確保每個電池單元容量的最佳利用。

在“Sink”模式下，系統(tǒng)可以通過USB PD為外部設(shè)備（如筆記本電腦）充電，同時通過直流輸出為其他設(shè)備供電，或通過墻壁插座或太陽能電池板的交流輸入為自己充電。在“移動電源”模式下，它可以從AC/DC電源或太陽能電池板接收電荷，同時將電力分配到USB-C或DC插孔等多個輸出，非常適合多個設(shè)備需要同時充電的情況。

系統(tǒng)集成

由于其模塊化和可擴展性，該系統(tǒng)旨在無縫集成到各種應(yīng)用程序中。無論您構(gòu)建的是小型個人設(shè)備還是大型工業(yè)設(shè)備，該解決方案都能憑借其靈活的架構(gòu)輕松適應(yīng)。該系統(tǒng)支持多種輸入/輸出類型：交流（110V）、直流（高達(dá)28V）、USB-C（240W）和 USB-A（12W），以及通過其專用智能太陽能電池充電器進行太陽能輸入。這種多功能性使制造商能夠根據(jù)不同的用戶需求創(chuàng)建便攜式發(fā)電站，而無需重新設(shè)計核心組件。集成額外的輔助電路，如冷卻風(fēng)扇（用于熱管理）、LED驅(qū)動器（用于照明）和DC/DC轉(zhuǎn)換器，進一步增強了在不同環(huán)境中的可用性，而不會影響性能或安全標(biāo)準(zhǔn)。

實際應(yīng)用

瑞薩電子的便攜式電源系統(tǒng)在各個行業(yè)具有廣泛的適用性：

• 便攜式發(fā)電站： 非常適合戶外活動，如露營或遠(yuǎn)足，在這些活動中，使用傳統(tǒng)電網(wǎng)的機會可能受到限制。

• 儲能系統(tǒng)（ESS）和不間斷電源（UPS）： 在停電或緊急情況下提供可靠的備份。

• 電動汽車充電： 可用作移動EV充電解決方案的一部分。

• 工業(yè)設(shè)備： 為沒有傳統(tǒng)電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)的工具/機械供電。

• 可再生能源系統(tǒng)： 與太陽能電池板無縫集成，非常適合離網(wǎng)生活環(huán)境，如專注于可持續(xù)發(fā)展計劃的小屋或生態(tài)度假村。

每種情況下，高效數(shù)字轉(zhuǎn)換器與穩(wěn)健的電池管理系統(tǒng)的結(jié)合，確保了無論環(huán)境條件或負(fù)載需求如何，都能提供不間斷的服務(wù)。

結(jié)論

該系統(tǒng)代表了便攜式能源技術(shù)的創(chuàng)新飛躍——將高功率傳輸能力與先進的電池管理技術(shù)相結(jié)合——所有這些都位于可擴展的模塊化架構(gòu)中，能夠支持從消費電子產(chǎn)品到工業(yè)級應(yīng)用的各種用例！通過利用雙向數(shù)字轉(zhuǎn)換器等尖端技術(shù)，再加上能夠監(jiān)控與電池性能相關(guān)的各個方面的智能電量計IC，您可以放心，因為無論下一步生活將您帶到哪里，您的設(shè)備都將始終保持供電狀態(tài)！