電源繼續(xù)提供新功能，以提高要求苛刻的通信、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的效率、安全性和可管理性。MCU 越來越成為這些智能電源中的關(guān)鍵元件，并實(shí)現(xiàn)了廣泛的控制、傳感和管理功能。了解一些更高級(jí)的 MCU 硬件特性以及它們簡(jiǎn)化智能電源設(shè)計(jì)的方式，對(duì)于任何使用嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)人員來說都是有用的。

　　本文將說明嵌入式設(shè)計(jì)人員可用于解決智??能電源要求的幾個(gè)關(guān)鍵 MCU 功能。在啟動(dòng)條件下控制電源是一項(xiàng)明顯的要求，但傳感、記錄和通信電源操作可能是 MCU 功能最適用的領(lǐng)域。

　　可靠性、安全性和效率

　　如今，可靠性、安全性和效率是大多數(shù)電源子系統(tǒng)的主要客戶關(guān)注點(diǎn)。然而，這些要求往往與低成本、小板空間和易于設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)考慮相沖突。使用先進(jìn)的 MCU 作為智能電源設(shè)計(jì)的控制器有助于減輕其中一些沖突，從而創(chuàng)建更優(yōu)化的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代 MCU 在小板空間中包含重要功能，成本很低，并且參考設(shè)計(jì)、代碼示例和開發(fā)平臺(tái)的可用性極大地簡(jiǎn)化了實(shí)施。

　　通常 MCU 需要一些外部支持設(shè)備來完成設(shè)計(jì)。找到正確的 MCU 和正確的外部設(shè)備的正確組合是高效實(shí)施的關(guān)鍵?？焖贋g覽一些重要的片上 MCU 功能和一些與 MCU 有效配對(duì)的常見外部設(shè)備，將有助于指導(dǎo)您選擇自己的設(shè)備，以便根據(jù)您的自定義要求高效實(shí)施。

　　有助于將 MCU 定位為高效電源控制器的最重要趨勢(shì)之一是電源應(yīng)用中標(biāo)準(zhǔn)接口的開發(fā)。例如，作為 MCU 外圍設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 I 2 C 和 SPI 總線的發(fā)展使得“構(gòu)建”通用子系統(tǒng)和利用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序和更高級(jí)別的軟件功能變得容易。閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、溫度、電壓和電流傳感器都可以共享公共 SPI 或 I 2 C 總線，從而減少引腳數(shù)要求并簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。

　　電源管理總線或 PMBus 是另一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口，在開發(fā)時(shí)考慮了電源控制。該總線基于 I 2 C 標(biāo)準(zhǔn)，但包含一些特定功能，可簡(jiǎn)化與常用電源元件的通信，例如測(cè)量的電流電平、電壓電平、溫度和風(fēng)扇速度。該總線支持 DC/DC 控制器、調(diào)節(jié)器和接口設(shè)備的開發(fā)，極大地提高了基于 MCU 的電源子系統(tǒng)的潛在智能。一些凌力爾特公司面向 PMBus 的 DC/DC 控制器和穩(wěn)壓器（例如LTC3883）的示例如下圖 1 所示。

　　圖 1：凌力爾特 PMBus 框圖。（由凌力爾特提供）

　　除了各種 DC/DC 控制器和穩(wěn)壓器，Linear 還擁有 DC1613 PMBus 控制器，如圖 1 的左上角所示。該接口可直接插入筆記本電腦和 SMBus 連接器。當(dāng)與 LTC 提供的 LTPowerPlay 軟件結(jié)合使用時(shí)，該部件可用于快速測(cè)試和配置 PMBus 器件以加速系統(tǒng)開發(fā)。LTC 還提供評(píng)估套件DC1778A，可用于探索基于 PMBus 的 DC/DC 控制器（如 LTC3883）的使用。

　　大多數(shù)現(xiàn)代 MCU 直接支持 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)，這使得實(shí)現(xiàn)高級(jí)電源子系統(tǒng)所需的智能變得容易。例如，NXP LPC11xx MCU有一個(gè)可以實(shí)現(xiàn) PMBus 的串行外設(shè)控制器，應(yīng)用筆記1解釋了如何實(shí)現(xiàn) PMBus 軟件堆棧。尋找可簡(jiǎn)化代碼開發(fā)的這些類型的資源——它們對(duì)于加速基于 MCU 的實(shí)施非常寶貴。

　　除了片上 PMBus 支持之外，其他一些常見的電源要求可以幫助您選擇 MCU 控制器。通常脈寬調(diào)制或 PWM 技術(shù)用于控制智能電源設(shè)計(jì)中的電壓和/或電流。例如，為電流控制 MOSFET 開關(guān)的“導(dǎo)通時(shí)間”設(shè)置占空比通常使用具有 PWM 功能的定時(shí)器外設(shè)完成，因此 MCU 無需花費(fèi)大量 CPU 周期來管理 MOSFET 控制輸出。一些 MCU 具有片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可用于感測(cè)溫度和控制模擬外設(shè)的電壓。當(dāng)需要數(shù)據(jù)記錄以跟蹤電源子系統(tǒng)性能時(shí)，在片上快速存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)的能力是另一個(gè)有用的功能。瑞薩電子 圖 2 所示的RL78 MCU是現(xiàn)代 MCU 的一個(gè)示例，具有迄今為止確定的許多片上功能。具有 PWM 功能的大量定時(shí)器、片上數(shù)據(jù)閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和支持 PMBus 的串行接口都可以在智能電源設(shè)計(jì)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

　　圖 2：瑞薩電子 RL78 MCU 框圖。（瑞薩電子提供）

　　瑞薩電子還提供了應(yīng)用說明和示例代碼，說明了如何為 RL78/I1A 實(shí)現(xiàn) PMBus。示例代碼顯示了如何在 I 2 C 串行接口上??支持 PMBus 發(fā)送/接收。該代碼以 C 語(yǔ)言提供，示例使用 Renesas CubeSuite+ IDE。

　　外部設(shè)備支持

　　通常，MCU 無法提供實(shí)現(xiàn)電源子系統(tǒng)所需的所有功能。例如，用于打開和關(guān)閉所需大電流的外部大功率 MOSFET 器件最有效地實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立器件。在片上集成這些設(shè)備通常比使用專用設(shè)備成本更高，因此您通常會(huì)在設(shè)計(jì)中使用至少幾個(gè)外部 MOSFET 或 IGBT，也許還有專門的驅(qū)動(dòng)器。一些 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器在片上集成了控制和監(jiān)控邏輯，這可以使設(shè)計(jì)更容易和更智能。例如，STMicroelectronics PM8834是一款雙低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，適用于對(duì) MOSFET 或 IGBT 等大容性負(fù)載進(jìn)行充電和放電。PM8834 的框圖如下圖 3 所示。

　　圖 3：意法半導(dǎo)體 PM8834 框圖。（意法半導(dǎo)體提供）

　　使能引腳可以在錯(cuò)誤條件下輕松覆蓋 PWM 控制輸入，從而提高安全性和可靠性。此外，框圖中間的 UVLO 模塊有助于控制驅(qū)動(dòng)器的斜升（它使驅(qū)動(dòng)器保持關(guān)閉，直到達(dá)到 UVLO 閾值）。對(duì)于高于 UVLO 閾值 （UVLOVCC） 的V CC電壓，PWM 輸入保持對(duì)驅(qū)動(dòng)器操作的控制，前提是相應(yīng)的使能引腳處于活動(dòng)狀態(tài)。PWM_1 和 PWM_2 均在內(nèi)部下拉，因此，如果懸空，則相應(yīng)的輸出引腳會(huì)放電。像這些簡(jiǎn)單但有用的功能可以簡(jiǎn)化編碼，還可以提高設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

　　在一些較大的交流電源子系統(tǒng)中，接近單位的功率因數(shù)（流向負(fù)載的實(shí)際功率與電路中的視在功率之比）是提高功率傳輸效率的要求。功率因數(shù)校正可用于“塑造”控制子系統(tǒng)內(nèi)的電流和電壓波形，以提高電源子系統(tǒng)的整體功率因數(shù)。這樣做的方法很復(fù)雜，但可以在具有足夠處理能力的 MCU 中實(shí)現(xiàn)。然而，一個(gè)有吸引力的替代方案是使用實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的專用外部設(shè)備。ADI 公司的ADP1047如下圖 4 所示，它使用傳統(tǒng)的升壓功率因數(shù)校正技術(shù)提供浪涌電流控制，該技術(shù)將輸出電壓反饋與輸入電流和電壓相結(jié)合。這提供了最佳的諧波校正并提供了改進(jìn)的系統(tǒng)功率因數(shù)。

　　圖 4：Analog Devices ADP1047 框圖。（由模擬設(shè)備公司提供）

　　多個(gè)狀態(tài)輸出可用作外部信號(hào)，以在操作偏離標(biāo)稱值時(shí)快速指示。所有關(guān)鍵參數(shù)也可以通過 PMBus 接口報(bào)告和調(diào)整，從而可以輕松地將設(shè)備包含在基于 MCU 的設(shè)計(jì)中。ADP1047 還提供輸入電壓、電流和功率的精確 rms 測(cè)量，從而為設(shè)計(jì)增加顯著的智能性成為可能。使用專用設(shè)備可能會(huì)增加所需的材料清單，但增加的功能無需學(xué)習(xí)和實(shí)施不熟悉的控制算法，可以節(jié)省數(shù)月的開發(fā)時(shí)間——這是許多項(xiàng)目的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

　　結(jié)論

　　片上 MCU 功能和外部設(shè)備的精確組合與其說是科學(xué)，不如說是一門藝術(shù)，但了解這些權(quán)衡是高效設(shè)計(jì)的核心是一個(gè)很好的起點(diǎn)。確保您及時(shí)了解針對(duì)電源設(shè)計(jì)的新 MCU 功能以及為復(fù)雜算法添加功能和簡(jiǎn)化軟件開發(fā)的新外部設(shè)備。示例代碼、參考設(shè)計(jì)和開發(fā)板都應(yīng)包含在任何高效的電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。