Microchip专家技术文章:实现电源智能化

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智能控制的电源
世界上有许多供电应用,其中大部分只需要一个干净的电流源或电压源即可完成工作。在这些应用中,越来越多的应用需要通过某种智能算法来调整电压或电流以改善性能、降低功耗或者实现某种新功能,从而使产品在市场上更具竞争力。

其中一些应用包括:
用于太阳能系统或能量采集的最大功率点追踪。
电池充电,尤其是一些较为奇特的化学物质。
具有调光或日光采集功能的LED照明。
通过备用电源系统实现容错。

在每种应用中,都会添加单片机来执行某种程度的智能算法以便更有效地管理功率。其他功率系统只需要与人或其他系统交互的智能。这些系统包括PC主板上的SMbus功率元件,汽车内基于LIN接口的照明系统或大型建筑中的以太网管理电源板。只需向现有产品添加通信功能,即可将产品的实用性和价值提高几个等级或层次。

传统智能电源
很多智能电源系统采用“蛮力”方法,即仅仅向现有电源系统添加一个MCU。这样做的风险很低,因为现有系统能完成任务且已被充分理解。新的部分仅仅是智能。在这一过程中,通常要为电压、电流、温度和其他参数(如现有电源的占空比或频率)添加传感电路。此外,可能还需要连接其他电路来控制现有电源的功能,如使能和电压设定值。很多SMPS ASIC已通过I/O引脚或I2C连接实现了必要的控制输入。而且有很多通用MCU(如PIC16F1939)可与这些ASIC交互并提供可改善电源功能的接口、命令和控制。

连接电源并通过验证后,便可利用标准开发工具(如MPLAB® X IDE和PICkit™ 3)快速开发附加功能。通常,这种方法不需要软件开发团队完全精通SMPS设计的难点,因为SMPS团队会单独验证系统的这一部分。

数字电源
为了节省成本,开发人员对完全集成SMPS和MCU有着强烈的意愿。一种非常有效的方法是使用具有快速采样ADC的高性能MCU。这类器件能够实现由软件控制的全数字反馈系统。如果性能足够高,则可在软件中实现极其复杂的反馈算法,这样硬件上就变得非常简单。这种方法极具吸引力,但有几点需要考虑。

当故障排除中必须包含ADC和算法时,传统的切断/跳转调试方法不再那么有效。
软件团队必须理解SMPS补偿的性能和数学要求。有时一些非常微小的代码变化都会对稳定性造成显著影响。
控制器的电源要求随着MIPS的增加而提高,因此计算量大的算法将影响系统效率。

如果这些限制在系统中不成问题,那么便可利用软件实现一些相当神奇的事情。

混合智能电源
“蛮力”方法和全数字方法之间存在一种混合方法。这种方法将具有必需的模拟反馈外设的混合信号控制器与必需的 MCU 功能组合在单个集成电路中。

其中一种代表性的器件就是PIC16F753。PIC16F753将运算放大器(运放)、斜率补偿器、DAC、比较器和脉宽调制(PWM)控制器集成在单个14引脚的单片机中。其中每个外设都可编程,并且它们可以各种方式组合来创建大量电流模式电源。由于这些外设可在软件中配置,因此可以动态地更改配置来适应各种电源状况。

例如,当玩具待机时,比较恰当的做法是通过简单的固件前馈调节器将玩具中的电源作为滞后控制器来操作。当玩具激活时,可快速将电源重新配置为不同工作频率下的连续电流模式,准备执行动作。由于整个电源在MCU的外设内部进行控制,因此所有需要的传感电路均为SMPS的一部分,而非在设计生命周期的后期添加。这样便有可能简化设计并减少元件数量。固件也能从电源行为的额外可视性中受益且无需增加新元件。

电源的设计过程与传统方法几乎相同。步骤如下:
确定电源拓扑
创建电源并计算元件值
配置内部外设(20行代码)
验证性能并调整补偿网络
编写通信和智能接口代码

第5步不需要了解详细的电源知识便可完成,因为外设配置将由电源工程团队设置并验证。

设计过程
确定电源拓扑
创建模型并计算元件值
配置电源的单片机外设
调整模拟反馈环
编写通信和智能代码

通用配置
大多数使用PIC16F753创建的电源基于通用SMPS配置做出了少许更改。此配置如下所示。

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在此配置中,外设配置为产生大多数电流模式的固定频率电源。COG是互补输出发生器。其功能是通过上升沿和下降沿输入构成的可编程死区生成互补输出。CCP配置为生成可编程的频率上升沿。当电流超出斜率补偿器的输出时,比较器C1生成下降沿。CCP可与C1结合来产生最大占空比。一些拓扑(如升压、反激或SEPIC)需要最大占空比。运放OPA用于提供反馈和补偿。图中由DAC为运放提供参考电压,但如果不需要可编程电压,固定电压参考(FVR)也可用于为运放提供参考电压。斜率补偿器可通过比较器或COG复位。其工作原理是使用可编程灌电流来使预充电到其输入(此例中为OPA)所设置电平的电容衰减。这种电源配置非常易于使用。

下面是LED串中升压电源调节电流的示例。

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升压LED电源示例


构建并测试硬件后,只需实现一些基本功能便可增加智能,如下所示:

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LED驱动器流程图

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最大功率点状态机

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电池充电器状态机


结论
向电源添加MCU得到的最终结果远比单独使用器件时强大。集成可采用如下几种形式:仅将MCU接入现有SMPS设计,通过高性能dsPIC 建立全数字 SMPS,或使用混合信号MCU将模拟SMPS功能与MCU集成到单个芯片上。

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