混合電源控制器——連接模擬和數(shù)字領(lǐng)域

您可能已經(jīng)注意到越來(lái)越多的電子設(shè)備如何繼續(xù)填滿您的生活。過(guò)去非常簡(jiǎn)單和平凡的設(shè)備似乎演變成更智能、更復(fù)雜的技術(shù)。即使是您的簡(jiǎn)單牙刷，它也配備了電動(dòng)和互聯(lián)網(wǎng)連接的電子表兄弟 - 具有壓力檢測(cè)和指導(dǎo)刷牙時(shí)間 - 以獲得完美的微笑。

介紹

有些設(shè)備使用電池，而有些設(shè)備直接連接到電源，但所有設(shè)備都需要電源。如果我們將視野擴(kuò)大到世界范圍內(nèi)，受電設(shè)備的數(shù)量將達(dá)到數(shù)十億。按理說(shuō)，如果每個(gè)設(shè)備都嘗試使用和浪費(fèi)盡可能少的電力，就會(huì)帶來(lái)巨大的好處。

智能設(shè)備對(duì)電源的需求比以往更高，因?yàn)楝F(xiàn)代應(yīng)用往往從待機(jī)模式下的毫瓦功耗轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)啟時(shí)的幾百瓦功耗。

為了支持這種寬工作模式，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)模式電源還不夠好。您需要一個(gè)可以即時(shí)切換模式的電源。

傳統(tǒng)上，電源是作為模擬解決方案實(shí)現(xiàn)的，要么使用分立組件，要么使用帶有支持組件的模擬電源設(shè)備。這樣，整個(gè)控制系統(tǒng)就作為一個(gè)模擬反饋回路來(lái)實(shí)施。優(yōu)點(diǎn)是這些系統(tǒng)非常便宜且易于設(shè)計(jì)。有廣泛的 ASIC 開(kāi)關(guān)模式解決方案組合，專為大多數(shù)常見(jiàn)用例量身定制，但其中許多無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代智能設(shè)備不斷變化的需求。

另一方面，數(shù)字電源非常強(qiáng)大。全數(shù)字電源將所有輸入信號(hào)數(shù)字化，隨后所有信號(hào)處理都在數(shù)字域中完成。這需要大量的計(jì)算能力來(lái)控制，因此傳統(tǒng)上這屬于具有高計(jì)算性能的專用 DSP 和微控制器領(lǐng)域。與模擬解決方案相比，數(shù)字電源具有許多優(yōu)勢(shì)。它們可以輕松適應(yīng)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且可以輕松調(diào)整和調(diào)整以實(shí)現(xiàn)最高效率。全數(shù)字解決方案的主要缺點(diǎn)是成本和開(kāi)發(fā)復(fù)雜性。

因此，一方面我們擁有價(jià)格低廉且快速但不靈活的模擬電源，而另一方面我們擁有非常靈活和強(qiáng)大但也更復(fù)雜且相當(dāng)昂貴的數(shù)字電源。

如果存在第三種選擇，將模擬和數(shù)字電源解決方案的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，那豈不是很好？

圖 1：模擬、數(shù)字和混合電源解決方案之間的關(guān)系。

這就是混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。在混合電源解決方案中，反饋回路是模擬的，但經(jīng)過(guò)數(shù)字增強(qiáng)。通過(guò)這種方式，混合電源系統(tǒng)將數(shù)字邏輯與模擬電路相結(jié)合，以在單個(gè)設(shè)備中利用這兩個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。擁有數(shù)字增強(qiáng)型模擬環(huán)路，我們可以輕松更改拓?fù)浠蚩刂颇Ｊ竭\(yùn)行時(shí)間，以調(diào)整應(yīng)用程序以獲得最佳性能（圖 1）。

讓我們看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明它的優(yōu)點(diǎn)。

在電池充電器應(yīng)用中，您需要對(duì)給定的電池單元嚴(yán)格遵循充電特性。有些需要在充電的早期以固定和調(diào)節(jié)的電流充電，當(dāng)電池接近充滿電時(shí)，它從電流控制切換到電壓控制——電壓被調(diào)節(jié)，電流被降低。

對(duì)于混合動(dòng)力解決方案，這是一項(xiàng)非常簡(jiǎn)單的任務(wù)。只需在電流模式控制下啟動(dòng)，到時(shí)再切換到電壓模式控制。硬件和拓?fù)浔３植蛔儯珎鞲邪l(fā)生了切換。

如前所述，混合電源解決方案基于數(shù)字增強(qiáng)型模擬環(huán)路系統(tǒng)。整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)置為在核心獨(dú)立外設(shè) (CIP) 中運(yùn)行。具有 CIP 混合電源功能的微控制器具有先進(jìn)的自主 PWM 控制器，該控制器高度可配置以支持各種拓?fù)浜涂刂颇Ｊ健?/p>

圖 2：CIP 混合電源控制器

圖 2 顯示了一個(gè)非常簡(jiǎn)化的 CIP 混合電源控制器圖示。它由一個(gè)通用微控制器和一個(gè) PWM 控制器組成，該控制器能夠完全獨(dú)立于微控制器的其余部分運(yùn)行。該 PWM 控制器分為三個(gè)主要功能，如圖 3 所示。調(diào)制器模塊負(fù)責(zé)生成到外部功率晶體管的開(kāi)關(guān)信號(hào)。根據(jù)控制模式，它將使用電流或電壓反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)占空比。它還包括用于穩(wěn)定性的斜率補(bǔ)償。故障模塊負(fù)責(zé)在短路或過(guò)流情況下關(guān)閉電源。

圖 3：具有 PWM 的 CIP 混合電源控制器

將整個(gè)系統(tǒng)配置為一個(gè)獨(dú)立的模塊從系統(tǒng)角度來(lái)看是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡娫纯梢元?dú)立運(yùn)行，并且 MCU 可以自由地用于更高級(jí)別的功能，如與主控制器通信、執(zhí)行板控制功能或提供PWM控制器的高端控制。

在 LED 照明的情況下，獲得正確的色溫需要非常精確地控制電流。環(huán)境溫度可能會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響，但在具有混合電源解決方案的微控制器中，微控制器可以輕松監(jiān)控環(huán)境溫度并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

您可能會(huì)說(shuō)控制 RGBW LED 燈條需要四個(gè)獨(dú)立的通道，在這種情況下，您會(huì)很高興知道其中一些 CIP 混合電源控制器包含四個(gè)完全獨(dú)立的 PWM 控制器，它們都可以單獨(dú)控制。它們也不需要輸出相同的電壓。您可以使用這些設(shè)備之一為您的系統(tǒng)提供 1.8V、3.3V 和 5V。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)——保持簡(jiǎn)單

微控制器通常使用 C 等高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，而電源設(shè)計(jì)人員通常使用模擬仿真工具來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)試他們的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上，微控制器軟件開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)電源方面的經(jīng)驗(yàn)很少或沒(méi)有，同樣，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常也沒(méi)有為微控制器編寫(xiě)代碼的經(jīng)驗(yàn)。這提供了一個(gè)挑戰(zhàn)。您如何讓經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)人員對(duì)混合電源控制器進(jìn)行編程和配置？

答案是提供圖形開(kāi)發(fā)工具，將 PWM 控制器的整個(gè)配置簡(jiǎn)化為幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟。在幕后，開(kāi)發(fā)工具生成設(shè)置 PWM 控制器所需的所有必要初始化代碼，例如具有峰值電流模式控制和所有正確調(diào)制、補(bǔ)償和故障檢測(cè)的同步降壓拓?fù)洹?/p>

Microchip已經(jīng)發(fā)布了一系列名為 PIC16F176x 和 PIC16F177x 的微控制器。它們提供多達(dá)四個(gè)獨(dú)立的 PWM 控制器，并且在 MPLAB? X 中的圖形代碼配置器中得到完全支持，如下圖所示。該工具專為模擬電源設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)，并按照設(shè)計(jì)人員通常設(shè)計(jì)模擬電源的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。無(wú)需編寫(xiě) C 代碼和配置寄存器，您只需選擇電源拓?fù)洹⒖刂颇Ｊ讲⑻顚?xiě)適當(dāng)?shù)闹?，如開(kāi)關(guān)頻率和最大 PWM 占空比。然后配置器負(fù)責(zé)其余的工作并生成初始化代碼。