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)用中的效率，安全性和可管理性。 MCU越來(lái)越成為這些智能電源的關(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硬件功能及其簡(jiǎn)化智能電源設(shè)計(jì)的方法對(duì)于使用嵌入式系統(tǒng)的任何硬件設(shè)計(jì)人員都非常有用。

本文將說(shuō)明嵌入式設(shè)計(jì)人員可用于滿足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個(gè)明顯的要求，但感應(yīng)，記錄和通信電源操作可能是最佳應(yīng)用MCU功能的領(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)關(guān)注的客戶關(guān)注點(diǎn)。然而，這些要求經(jīng)常與低成本，小板空間和易于設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)問(wèn)題相沖突。使用高級(jí)MCU作為智能電源設(shè)計(jì)的控制器可以幫助減輕這些沖突中的一些沖突，從而創(chuàng)建更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。現(xiàn)代MCU在小型電路板空間中具有顯著的功能，成本極低，參考設(shè)計(jì)，代碼示例和開(kāi)發(fā)平臺(tái)的可用性大大簡(jiǎn)化了實(shí)施。

通常MCU需要一些外部支持設(shè)備來(lái)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。快速了解一些重要的片上MCU功能以及與MCU高效配對(duì)的一些常見(jiàn)外部設(shè)備將有助于指導(dǎo)您自己選擇設(shè)備，以便根據(jù)您的自定義要求進(jìn)行有效實(shí)施。

有助于將MCU定位為高效電源控制器的最重要趨勢(shì)之一是在電源應(yīng)用中開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)接口。例如，作為MCU外圍設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，I 2 C和SPI總線的發(fā)展使得“構(gòu)建”通用子系統(tǒng)變得容易，并且可以利用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序和更高級(jí)別的軟件功能。閃存，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，溫度，電壓和電流傳感器均可共用一個(gè)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(kāi)發(fā)時(shí)考慮了電源控制。該總線基于I 2 C標(biāo)準(zhǔn)，但包括一些特定功能，以簡(jiǎn)化與常見(jiàn)電源元件的通信，如測(cè)量的電流水平，電壓水平，溫度和風(fēng)扇速度。該總線支持DC/DC控制器，穩(wěn)壓器和接口設(shè)備的開(kāi)發(fā)，大大提高了基于MCU的電源子系統(tǒng)的潛在智能。 Linear Technology的一些面向PMBus的DC/DC控制器和穩(wěn)壓器（例如LTC3883）的示例如下面的圖1所示。

圖1：Linear Technology PMBus框圖。 （由Linear Technology提供）

除了各種DC/DC控制器和穩(wěn)壓器外，Linear還配備了DC1613 PMBus控制器，如圖1左上方所示。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)，該器件可用于快速測(cè)試和配置PMBus器件，以加速系統(tǒng)開(kāi)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)，這使得它成為可能。易于實(shí)現(xiàn)高級(jí)電源子系統(tǒng)所需的智能。例如，恩智浦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。尋找簡(jiǎn)化代碼開(kāi)發(fā)的這些類型的資源 - 它們?cè)诩铀倩贛CU的實(shí)現(xiàn)方面具有無(wú)可估量的價(jià)值。

除了片上PMBus支持外，其他一些常見(jiàn)的電源要求可以幫助您選擇MCU控制器。通常，脈沖寬度調(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(kāi)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)來(lái)完成，因此MCU無(wú)需花費(fèi)大量CPU周期來(lái)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，可用于檢測(cè)溫度和控制模擬外設(shè)的電壓。當(dāng)需要數(shù)據(jù)記錄來(lái)跟蹤電源子系統(tǒng)性能時(shí)，在芯片上快速存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)的能力是另一個(gè)有用的功能。瑞薩RL78 MCU，如圖2所示，是現(xiàn)代MCU的一個(gè)例子，其中包含許多片上功能。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)換器以及支持PMBus的串行接口均可用于智能電源設(shè)計(jì)。

圖2：瑞薩RL78 MCU的框圖。 （由Renesas提供）

瑞薩還提供了一個(gè)應(yīng)用筆記和示例代碼，說(shuō)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傳輸/接收。該代碼在C中可用，該示例使用Renesas CubeSuite + IDE。

外部設(shè)備支持

通常，MCU無(wú)法提供實(shí)現(xiàn)電源子系統(tǒng)所需的所有功能。例如，用于接通和斷開(kāi)所需大電流的外部高功率MOSFET器件最有效地實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立器件。在片上集成這些器件通常比使用專用器件更昂貴，因此您通常會(huì)在設(shè)計(jì)中使用至少一些外部MOSFET或IGBT以及可能的專用驅(qū)動(dòng)器。一些MOSFET驅(qū)動(dòng)器集成了片上控制和監(jiān)控邏輯，這可以使設(shè)計(jì)更容易，更智能。例如，STMicroelectronics PM8834是一款雙低側(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：STMicroelectronics PM8834框圖。 （由STMicroelectronics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，在框圖中間的UVLO模塊有助于控制驅(qū)動(dòng)器的上升（它可以使驅(qū)動(dòng)器保持關(guān)閉狀態(tài)，直到達(dá)到UVLO閾值）。對(duì)于大于UVLO閾值（UVLOVCC）的VCC電壓，只要相應(yīng)的使能引腳有效，PWM輸入就會(huì)保持對(duì)驅(qū)動(dòng)器操作的控制。 PWM_1和PWM_2都在內(nèi)部下拉，因此，如果懸空，則相應(yīng)的輸出引腳放電。這些簡(jiǎn)單但有用的功能可以簡(jiǎn)化編碼并提高設(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，接近統(tǒng)一的功率因數(shù)（真實(shí)比率）流向負(fù)載的功率到電路中的視在功率是提高功率輸送效率的要求。功率因數(shù)校正可用于“整形”控制子系統(tǒng)內(nèi)的電流和電壓波形，以改善電力子系統(tǒng)的總功率因數(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，一種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，采用傳統(tǒng)的升壓功率因數(shù)校正技術(shù)提供浪涌電流控制，輸出電壓反饋與輸入電流和電壓相乘。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：ADI公司的ADP1047框圖。 （由ADI公司提供）

有幾種狀態(tài)輸出可用作外部信號(hào)，以便快速指示何時(shí)操作偏離標(biāo)稱值。所有關(guān)鍵參數(shù)也可以通過(guò)PMBus接口進(jìn)行報(bào)告和調(diào)整，從而可以輕松地將器件包含在基于MCU的設(shè)計(jì)中。 ADP1047還可對(duì)輸入電壓，電流和功率進(jìn)行精確的均方根測(cè)量，從而為設(shè)計(jì)增添重要智能。使用專用設(shè)備可以增加所需的物料清單，但增加的功能，無(wú)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(kāi)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)備的精確組合更像是一門(mén)藝術(shù)而非科學(xué)，但理解這些權(quán)衡是高效設(shè)計(jì)的核心是一個(gè)好的開(kāi)始點(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(kāi)發(fā)的新外部設(shè)備。示例代碼，參考設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)板都應(yīng)包含在任何有效的電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。