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整合混合讯号控制器 智慧型电源元件更精简

时间:2014-06-22 来源:新电子 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
电子产品能源使用效率可望大幅提升。因应节能减碳设计潮流,许多交换式电源供应器开发商利用整合运算放大器、数位类比转换器(DAC)与脉宽调变(PWM)的新式混合讯号控制器,搭配智慧型演算法,实现电压或电流即时侦测与调控,以达到更有效率的电源管理。

在这个世界上有许多应用需要电源供应器,它们多数仅需要一个电流源或电压源即可驱动;然而也有越来越多的应用,须藉由一些智慧型演算法来调整电压或电流,以改善效能、降低功耗,并增加产品的吸睛特点。

这些应用包括:
.针对太阳能系统或是能量采集应用的最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking)。

.电池充电,特别是用来改善一些不稳定的化学作用。

.具有调光或是日光采集功能的白色发光二极体(LED)照明。

.具备容错(Fault Tolerance)能力的备用电源系统。

在以上的案例中,每一种需求都会加入微控制器(MCU)来执行某种程度的智慧型演算法,藉此达更有效率电源管理。部分电源系统可能仅需与人或是其他系统建立智慧功能的介面,如个人电脑主机板上的系统管理汇流排(SMbus)电源元件、汽车上的本地互联网路介面(LIN Interface)照明系统,或是在大型建筑物中,由乙太网路所管理的电源面板,只要在现有产品中加入通讯功能,就能大幅增加它的效用与价值。

外加MCU 电源系统低风险升级

利用「外力介入」方式设计智慧型电源,仅须在现有的电源系统中增加一颗MCU,这是一种低风险的方式,因为现有的系统已经可以完成所需任务,只须提供智慧性。这个过程通常会加入可侦测电压、电流与温度的线路,以及其他像是在现有电源供应器中的变数,如工作负载周期(Duty Cycle)或是频率等;也可能连结额外的线路来控制现有电源供应器特性,例如启动功能及电压设置点。

许多交换式电源供应器的特殊应用积体电路(ASIC),透过输入输出(I/O)接脚或是I2C连结,已经具有必要的控制输入;也有许多一般用途的MCU,能与这些ASIC连接并提供介面、指令及控制,来改善电源供应器的功能性。

一旦建立与电源供应器的连结并经过验证后,可以使用市面上标准的发展工具来快速开发出额外功能性。一般而言,经由这种方法,软体开发团队并不须要完全熟悉交换式电源供应器设计的复杂性,而由交换式电源供应器团队独立验证即可。

整合型电源供应器简化硬体形式

基于节省成本的诉求,业界希望能将交换式电源供应器与MCU整合在一起。有一个可行的方式,就是使用高效能MCU元件搭配具高速采样率的类比数位转换器(ADC)。这类元件允许一个受软体控制的完整数位回馈系统,假如其效能够高,则极端复杂的回馈演算法便可在软体中执行,同时硬体可以维持在相当简单的形式。

上述方法虽引人注目,但有一些重点必须加以考量:(1)当ADC及演算法应被包含在故障排除之中时,传统的切/跳除错方式并非很有效;(2)软体团队必须了解交换式电源供应器的补偿效能以及数学条件。有些时候,非常细微的程式编码改变,将会对于稳定性造成显著的影响;(3)控制器的电源需求会随着MIPS而增加,所以动用到大量运算资源的演算会影响到系统的效率。假如系统不受这些限制影响,则透过软体将可达成令人满意的成果。

加入讯号控制 智慧型电源元件更精简

存在于简单的‘外力介入’方法与完全数位方法之间的,就是混合式方法。这种方法是在单一积体电路(IC)上结合一个混合讯号控制器,此控制器拥有必要的类比回馈周边,及必要的MCU特性。

此类元件以微芯的PIC16F753为例,将运算放大器(OPA)、斜率补偿器(Slope Compensator)、数位类比转换器(DAC)、补偿器以及脉宽调变(PWM)控制器,整合至单一的十四接脚的微控制器上;其中的每一个周边都是可程式设定的,而且它们可用各种不同的方式结合在一起,以创建出大电流模式的电源供应器;由于元件是在软体中进行配置,因此配置状况可以视电源供应器的状况进行动态改变。

举例而言,此元件或许适用于玩具中,当玩具处于待机状况时,这个电源供应器可做为有着简易韧体前馈调节器的滞后控制器;当玩具被启动时,针对不同操作频率下的持续供电模式,电源供应器会被快速重新配置,做好准备动作。

由于整个电源供应器是由MCU周边的内部所控制,所有必要的感应电路都属交换式电源供应器一部分,并非在设计后期才被加入,如此将能简化设计及降低元件使用量,韧体也将因为毋须增加新元件,而能在电源供应器的行为中有着额外的能见度而受惠。

这种电源供应器的设计过程几乎与传统的方法相同,其步骤如下:

.决定电源供应器拓扑。

.创建电源并计算元件规格数值。

.配置内部的周边(二十行的程式码)。

.验证其效能并调整补偿线路。

.编写通讯及智慧型介面。

在不具有详尽电源供应器知识的情况下仍能完成最后步骤,这是因为周边配置是由电源供应器工程团队来进行设定与验证。

大部分以PIC16F753所架构的电源供应器,与一般交换式电源供应器的配置仅有些微差异(图1)。 在这种配置中,周边是被设置用来产生大部分电流模式之固定频率的电源供应;互补型输出产生器(COG)的功能是用来产生互补型输出,这个互补型输出来自上升及下降输入的可程式化无工作区(Deadband);捕捉/比较/PWM(CCP)则是被设置用来产生可程式化的频率上升缘(Rising Edge);比较器C1会在电流超过斜率补偿器的输出时,产生下降缘(Falling Edge),CCP可与C1结合在一起,以产生最大的工作负载周期,对于某些拓扑,例如升压式、返驰式(Flyback)或单端初级电感转换器(SEPIC)而言,就必须要有着最大的工作负载周期;OPA是被用来提供回馈与补偿之用。


                                                           图1 PIC16F753配置方式

图1所示是由DAC提供参考电压至OPA,但若不须要做到可程式化的程度,则固定的电压参考值(FVR)也可被用来做为提供OPA的参考值。斜率补偿器则可由比较器或是COG来重置,其运作方式是藉由使用可程式化的电流流入(Current Sink)来衰减预先充电的电容,一直到达由它的输入(在这个例子中是OPA)所设定的程度为止。这种电源供应器的配置,相当容易使用。图2范例为LED灯串中升压电源供应器的电流调整。


                               图2 升压式LED电源供应器配置图

在硬体已被建构并测试之后,藉由执行图3到图5范例所示的基本功能,很容易就能加入智慧性功能。


                                                        图3 LED驱动流程图


                                              图4 最大功率点状态机器流程图

电池充电器状态机器流程图
                                                图5 电池充电器状态机器流程图

整合MCU 电源供应器功效大增

将MCU加入至电源供应器中,所产生的最终结果,会远比每一个元件分开时的功效还要大。 要实现这样的整合,可以采用将MCU加入现有交换式电源供应器的简单设计,建立一个有着高效能dsPIC的完整数位式交换式电源供应器;或是使用一个混合讯号MCU,在单晶片中整合MCU和类比式交换式电源供应器功能。(本文作者为微芯工程部经理)
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