电力供应继续提供新功能来提高效率,安全,和可管理性要求通信、工业和医疗应用程序。越来越多的单片机是一个关键因素在这些智能电源和实现大范围的控制,传感和管理功能。看一些更先进的单片机的硬件特性和方式简化智能电源的设计将是有用的任何硬件设计师和嵌入式系统一起工作。
本文将介绍一些关键的单片机特性解决智能电源需求的嵌入式设计者。控制电源的启动条件是一个明显的需求,但传感、日志记录和交流电源操作也许是单片机功能的地方是最好的应用。
可靠性、安全性和效率
今天的可靠性、安全性和效率是关键客户问题对于大多数电源子系统。然而,这些需求经常冲突与传统的低成本的关切,小板空间、易于设计。使用先进的单片机作为智能电源控制器的设计可以帮助减轻一些冲突来创建一个更优化的设计。现代单片机包重大董事会功能在一个小空间,小成本和可用性的参考设计,代码示例,开发平台大大简化实现。
通常单片机需要一些外部支持设备来完成设计。找到正确的合适的单片机和外部设备是有效实现的关键。快速浏览一些重要的芯片上的单片机功能和一些常见的外部设备,有效地与一个单片机将指引你走向自己的设备选择一种有效的实现基于定制需求。
最重要的趋势之一,帮助位置单片机作为高效电源控制器的开发标准接口内部电源的应用程序。例如,I2C的进化和SPI总线作为单片机外围设备行业标准使得很容易“构建”常见的子系统和杠杆标准司机和更高级的软件功能。闪光的记忆,数模转换器、数模转换器、温度,电压,和电流传感器都可以共享一个共同的SPI和I2C总线,从而减少引线数要求,简化软件设计。
电源管理总线或PMBus是另一个行业标准串行接口和电源控制了。这车是基于I2C标准但包括一些feature-specific功能来简化通信常见的元素,如测量电流供应水平,电压水平,温度,风扇速度。公共汽车使DC / DC控制器的发展,监管机构,和接口设备,大大增加的潜在情报用于单片机电源子系统。一些PMBus-oriented直流/直流控制器和监管者的例子从线性技术(如LTC3883)下面的图1所示。
PMBus线性图技术
图1:线性技术PMBus框图。(由凯利讯半导体)
还有各种直流/直流控制器和监管者,线性也DC1613 PMBus控制器,显示在图1的左上角。这个接口直接塞到一个笔记本和一个Bus连接器。结合使用时,可以使用LTC LTPowerPlay软件部分提供快速和配置PMBus设备加快系统开发。DC1778A LTC也提供了一个评估工具,可以用来探索使用像LTC3883 PMBus-based直流/直流控制器。
大多数现代单片机直接支持PMBus标准,这使得它容易实现所需的情报高级电源子系统。例如,NXP LPC11xx单片机串行外围控制器,可以实现PMBus和应用注一解释如何实现PMBus软件栈。寻找这些类型的资源,简化代码在超速用于单片机实现发展是无价的。
除了芯片上的PMBus支持，其他一些常见的电源需求可以帮助驱动您选择的MCU控制器。通常脉冲宽度调制，或PWM，技术用于控制电压和/或电流在智能电源设计。例如，为当前控制MOSFET开关的“on time”设置任务周期通常是使用一个pwm的计时器外围设备，这样MCU就不必花费大量的CPU周期来管理MOSFET控制输出。一些MCUs有芯片模数转换器和数模转换器，这些转换器在感知温度和控制模拟外设的电压方面非常有用。当想要跟踪power子系统性能时，快速存储非易失性数据的能力是另一个有用的功能。图2中所示的Renesas RL78单片机是现代单片机的一个例子，它具有许多目前识别的芯片功能。大量的计时器，PWM功能，芯片数据闪存，模数转换器，以及支持PMBus的串行接口都可以用于智能电源设计。
Renesas RL78单片机的框图。
图2:Renesas RL78 MCU方框图。
Renesas还提供了一个应用程序说明和示例代码，演示了如何为RL78/I1A实现PMBus。示例代码展示了如何在I2C串行接口上支持PMBus传输/接收。代码在C中可用，示例使用Renesas CubeSuite+ IDE。
外部设备支持
通常，MCU不能提供实现电源子系统所需的所有功能。例如，用于开关大电流的外部大功率MOSFET器件最有效地作为独立设备实现。集成这些设备的芯片通常比使用专用设备的成本更高，因此您将经常使用至少一些外部mosfet或IGs，或者在您的设计中使用一个专门的驱动程序。一些MOSFET驱动程序集成了控制和监控逻辑芯片，这使得设计更加容易和智能化。例如，STMicroelectronics PM8834是一种双低侧驱动，适用于充电和放电大型电容负载，如mosfet或IGs。PM8834的框图如下图3所示。
STMicroelectronics PM8834的框图。
图3:STMicroelectronics PM8834框图。凯利讯半导体
在错误的情况下，启用的引脚可以很容易地覆盖PWM控制输入，提高安全性和可靠性。此外，在框图中间的UVLO块可以帮助控制驱动程序的加速(它使驱动程序一直保持到UVLO阈值到达)。对于大于UVLO阈值的VCC电压，PWM输入保持对驱动操作的控制，只要相应的激活pin是激活的。PWM_1和PWM_2都在内部向下拉，所以如果左浮动，相应的输出引脚就会被释放。简单，但有用，这样的特性可以简化编码，并提高设计的可靠性和安全特性。
在一些较大的交流电源子系统中，一个接近单位的功率因数(在电路中，实际功率与负载之间的比值)是提高功率输出效率的要求。功率因数校正可用于“形状”控制子系统内的电流和电压波形，以提高功率子系统的整体功率因数。这样做的方法很复杂，但是可以在具有足够处理能力的单片机中实现。然而，一个有吸引力的选择是使用一个专用的外部设备来实现功率因数校正。模拟装置ADP1047，如图4所示，采用传统的功率因数校正技术，将输出电压反馈与输入电流和电压相结合，提供inrush电流控制。这提供了最佳的谐波校正，并提供了一个改进的系统功率因数。
模拟设备的框图ADP1047。
图4:模拟装置ADP1047框图。(由模拟设备)
一些状态输出可以作为外部信号，以在操作偏离标称时快速显示。所有关键参数也可以通过PMBus接口进行报告和调整，使得在基于MCU的设计中包含该设备变得很容易。ADP1047还提供了精确的rms测量输入电压、电流和功率，使其能够为设计增加重要的智能。使用专用设备可以增加所需材料的数量，但是增加的功能，不需要学习和实现一个不熟悉的控制算法可以节省开发时间，这是许多项目的一个关键优势。
结论
芯片的单片机特性和外部设备的精确组合，与其说是一门科学，不如说是一门艺术，但理解这些权衡是一种有效设计的核心，是一个很好的起点。确保您在新的MCU特性上保持最新的特性，这些特性针对的是电源设计，以及新的外部设备，它们可以为复杂的算法添加功能和简化软件开发。示例代码、参考设计和开发板都应该包含在任何有效的电源子系统设计中。