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智能控制的電源 世界上有許多供電應用，其中大部分只需要一個干凈的電流源或電壓源即可完成工作。在這些應用中，越來越多的應用需要通過某種智能算法來調整電壓或電流以改善性能、降低功耗或者實現某種新功能，從而使產品在市場上更具競爭力。其中一些應用包括： 1) 用于太陽能系統或能量采集的最大功率點追蹤。 2) 電池充電，尤其是一些較為奇特的化學物質。 3) 具有調光或日光采集功能的LED照明。 4) 通過備用電源系統實現容錯。 在每種應用中，都會添加單片機來執行某種程度的智能算法以便更有效地管理功率。其他功率系統只需要與人或其他系統交互的智能。這些系統包括PC主板上的SMbus功率元件，汽車內基于LIN接口的照明系統或大型建筑中的以太網管理電源板。只需向現有產品添加通信功能，即可將產品的實用性和價值提高幾個等級或層次。 傳統智能電源 很多智能電源系統采用“蠻力”方法，即僅僅向現有電源系統添加一個MCU。這樣做的風險很低，因為現有系統能完成任務且已被充分理解。新的部分僅僅是智能。在這一過程中，通常要為電壓、電流、溫度和其他參數（如現有電源的占空比或頻率）添加傳感電路。此外，可能還需要連接其他電路來控制現有電源的功能，如使能和電壓設定值。很多SMPS ASIC已通過I/O引腳或I2C?連接實現了必要的控制輸入。而且有很多通用MCU（如PIC16F1939）可與這些ASIC交互并提供可改善電源功能的接口、命令和控制。 連接電源并通過驗證后，便可利用標準開發工具（如MPLAB X IDE和PICkit 3）快速開發附加功能。通常，這種方法不需要軟件開發團隊完全精通SMPS設計的難點，因為SMPS團隊會單獨驗證系統的這一部分。 數字電源 為了節省成本，開發人員對完全集成SMPS和MCU有著強烈的意愿。一種非常有效的方法是使用具有快速采樣ADC的高性能MCU。這類器件能夠實現由軟件控制的全數字反饋系統。如果性能足夠高，則可在軟件中實現極其復雜的反饋算法，這樣硬件上就變得非常簡單。這種方法極具吸引力，但有幾點需要考慮。 1)當故障排除中必須包含ADC和算法時，傳統的切斷/跳轉調試方法不再那么有效。 2)軟件團隊必須理解SMPS補償的性能和數學要求。有時一些非常微小的代碼變化都會對穩定性造成顯著影響。 3)控制器的電源要求隨著MIPS的增加而提高，因此計算量大的算法將影響系統效率。 如果這些限制在系統中不成問題，那么便可利用軟件實現一些相當神奇的事情。 混合智能電源 “蠻力”方法和全數字方法之間存在一種混合方法。這種方法將具有必需的模擬反饋外設的混合信號控制器與必需的MCU功能組合在單個集成電路中。其中一種代表性的器件就是PIC16F753。PIC16F753將運算放大器（運放）、斜率補償器、DAC、比較器和脈寬調制（PWM）控制器集成在單個14引腳的單片機中。其中每個外設都可編程，并且它們可以各種方式組合來創建大量電流模式電源。由于這些外設可在軟件中配置，因此可以動態地更改配置來適應各種電源狀況。例如，當玩具待機時，比較恰當的做法是通過簡單的固件前饋調節器將玩具中的電源作為滯后控制器來操作。當玩具激活時，可快速將電源重新配置為不同工作頻率下的連續電流模式，準備執行動作。由于整個電源在MCU的外設內部進行控制，因此所有需要的傳感電路均為SMPS的一部分，而非在設計生命周期的后期添加。這樣便有可能簡化設計并減少元件數量。固件也能從電源行為的額外可視性中受益且無需增加新元件。電源的設計過程與傳統方法幾乎相同。步驟如下： 1)確定電源拓撲 2)創建電源并計算元件值 3)配置內部外設（20行代碼） 4)驗證性能并調整補償網絡。 5)編寫通信和智能接口代碼。 第5步不需要了解詳細的電源知識便可完成，因為外設配置將由電源工程團隊設置并驗證。 設計過程 ● 確定電源拓撲 ● 創建模型并計算元件值 ● 配置電源的單片機外設 ● 調整模擬反饋環 ● 編寫通信和智能代碼 通用配置 大多數使用PIC16F753創建的電源基于通用SMPS配置做出了少許更改。此配置如下所示。 在此配置中，外設配置為產生大多數電流模式的固定頻率電源。COG是互補輸出發生器。其功能是通過上升沿和下降沿輸入構成的可編程死區生成互補輸出。CCP配置為生成可編程的頻率上升沿。當電流超出斜率補償器的輸出時，比較器C1生成下降沿。CCP可與C1結合來產生最大占空比。一些拓撲（如升壓、反激或SEPIC）需要最大占空比。運放OPA用于提供反饋和補償。圖中由DAC為運放提供參考電壓，但如果不需要可編程電壓，固定電壓參考（FVR）也可用于為運放提供參考電壓。斜率補償器可通過比較器或COG復位。其工作原理是使用可編程灌電流來使預充電到其輸入（此例中為OPA）所設置電平的電容衰減。這種電源配置非常易于使用。下面是LED串中升壓電源調節電流的示例。 升壓LED電源示例 構建并測試硬件后，只需實現一些基本功能便可增加智能，如下所示： LED驅動器流程圖 最大功率點狀態機 電池充電器狀態機 結論 向電源添加MCU得到的最終結果遠比單獨使用器件時強大。集成可采用如下幾種形式：僅將MCU接入現有SMPS設計，通過高性能dsPIC建立全數字SMPS，或使用混合信號MCU將模擬SMPS功能與MCU集成到單個芯片上。 |
