將模擬與數(shù)字控制相結(jié)合的新智能電源

簡介

在許多系統(tǒng)中，使用單片機來控制多個負(fù)載點（POL）直流/直流轉(zhuǎn)換器，從而構(gòu)成混合控制系統(tǒng)以管理系統(tǒng)啟動行為、監(jiān)視電氣參數(shù)并管理外設(shè)子系統(tǒng)的功耗。不過，最復(fù)雜的解決方案可在計算機主板、圖形卡或服務(wù)器的CPU刀片上找到，其中穩(wěn)壓器模塊（VRM）直接與其負(fù)載通信來調(diào)整電源電壓，并且/或者甚至調(diào)整其控制特性來適應(yīng)臨時的工作條件。這種“智能”電源轉(zhuǎn)換管理和控制在總體系統(tǒng)效率、性能和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢——簡而言之：是工業(yè)、醫(yī)療、汽車以及消費類細(xì)分市場的首選解決方案。

主體部分

最近十年來，Microchip Technology Inc專注于所謂的智能電源轉(zhuǎn)換（IPC/SPC）應(yīng)用，為各種各樣的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用帶來了更多特性和增強功能。一直以來的一個主要焦點是，采用基于DSP的高性能單片機（帶有高專用性的高速高分辨率外設(shè)）以及用于混合控制系統(tǒng)（將單片機與全模擬控制環(huán)結(jié)合在一起）的專用控制器系列對電源轉(zhuǎn)換器/逆變器進行全數(shù)字控制。更深入地研究特定解決方案后，顯然可以發(fā)現(xiàn)，基于模擬的混合控制系統(tǒng)不是100%模擬，全數(shù)字解決方案也不是100%數(shù)字。這兩種解決方案都迫切需要模擬和數(shù)字的替代方案來克服特定限制，從而針對特定的目標(biāo)應(yīng)用具有特定優(yōu)勢。最新的智能電源轉(zhuǎn)換控制器產(chǎn)品系列MCP191xx面向?qū)Ｓ秒娫崔D(zhuǎn)換器拓?fù)浜蛻?yīng)用，它標(biāo)志著電源轉(zhuǎn)換器的智能化取得了新的技術(shù)進步。

該產(chǎn)品系列的首個成員MCP19111將高性能模擬同步降壓轉(zhuǎn)換控制器和8位MCU合并為單片IC，從而提供增強、靈活的配置、控制和監(jiān)視功能，同時允許集成標(biāo)準(zhǔn)化或?qū)Ｓ型ㄐ牛栽诟呒壍?a target="_blank">電源管理結(jié)構(gòu)中安排多個轉(zhuǎn)換器。與其他現(xiàn)有的混合POL控制器不同，MCP19111可完全采用C語言編程。這一優(yōu)勢提供了充分的靈活性，從而可調(diào)整器件以滿足不同的應(yīng)用要求，適應(yīng)特定的工作條件以及實現(xiàn)通用的監(jiān)視任務(wù)和定制功能。該器件具有4.5V至32V的直流寬輸入電壓范圍、低至0.5V的輸出電壓，以及最高支持2A拉電流/4A灌電流的驅(qū)動器，因而可支持各種應(yīng)用。

數(shù)字增強功能

數(shù)字控制器和模擬開關(guān)穩(wěn)壓器在同一芯片上可以使模擬功能與數(shù)字控制緊密融合，從而允許在運行時直接操縱補償電路、開關(guān)頻率、死區(qū)控制、系統(tǒng)級閾值以及許多其他功能。此外，由于MCU本身采用模擬開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)進行封裝，因而無需額外的輔助電源或外部MOSFET驅(qū)動器。圖1給出了MCP19111數(shù)字增強型電源模擬控制器的高階框圖以及一個典型應(yīng)用電路。模擬開關(guān)穩(wěn)壓器部分完全涵蓋了模擬控制環(huán)的所有元件（包括MOSFET驅(qū)動器），還包含MCU的輔助電源。數(shù)字部分由8位PIC12F中檔MCU內(nèi)核、8 KB的閃存以及256字節(jié)的RAM組成。此外，它還提供了多達15個GPIO（其中8個為附加模擬輸入）、1個基于I？CTM/SMbus的串行通信接口、外部中斷以及3個自由定時器。許多內(nèi)部信號（如輸入電壓、輸出電壓或電感電流）可直接在片上進行監(jiān)視，無需外部傳感。數(shù)字實現(xiàn)甚至允許讀取電流占空比，這在目前還是一項非常有用的功能，但由于許多技術(shù)原因，僅供全數(shù)字控制器使用。

效率最大化

除了增強的監(jiān)視功能，數(shù)字內(nèi)核的單片集成電路還允許直接訪問許多參數(shù)，這些參數(shù)通常在硬件中固定或無法在硅片中訪問。最值得注意的是可調(diào)死區(qū)、可編程補償器、內(nèi)部反饋校準(zhǔn)、可編程保護閾值，以及在運行時于電流與電壓模式控制之間進行切換的能力。

可調(diào)死區(qū)

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，上橋臂開關(guān)與下橋臂開關(guān)之間的死區(qū)設(shè)置對系統(tǒng)總效率有顯著影響。如果模擬控制器完全不提供任何可調(diào)死區(qū)設(shè)置，那么設(shè)計人員必須參考某種考慮到最高溫度和負(fù)載條件的最壞情況（死區(qū)通常需要設(shè)置為最大值），并將此值“編程”到硬件中，例如通過放置電容和/或電阻。這必然會增大內(nèi)核與二極管的損耗，因為轉(zhuǎn)換器很可能永遠(yuǎn)不會置于這些假定的最壞情況下。

一個適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案是自動調(diào)整死區(qū)以適應(yīng)特定負(fù)載和溫度條件。遺憾的是，使用板上過零檢測器始終以最佳死區(qū)來驅(qū)動開關(guān)會存在某些嚴(yán)重限制，原因有二。首先，各種模擬過零檢測器均基于比較器。最快（經(jīng)濟實惠）的模擬比較器的典型傳播延時為15-20 ns，其結(jié)果如圖3所示，傳播過慢而無法達到最佳級別。其次，此過零檢測器必須工作在半橋的開關(guān)節(jié)點，此處存在高頻開關(guān)噪聲需要濾波，這會進一步降低觸發(fā)速度，最終導(dǎo)致此功能失效。

但是，模擬領(lǐng)域無法解決的問題，在數(shù)字領(lǐng)域會找到解決方案。實現(xiàn)此最優(yōu)化的最常見技術(shù)是，監(jiān)視并分析轉(zhuǎn)換器的外部條件直至其達到穩(wěn)定為止。只要檢測到穩(wěn)態(tài)運行，就會修改死區(qū)并監(jiān)視上橋臂開關(guān)的占空比。此恒壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)的原理是，在穩(wěn)態(tài)條件下，上橋臂開關(guān)的最短相對導(dǎo)通時間決定了最高效率點，因為在這一點只需從總線汲取最少的功率即可提供一定的恒定輸出功率（見圖2）。

圖3給出了穩(wěn)態(tài)運行期間在定義的死區(qū)設(shè)置范圍內(nèi)單次掃描的結(jié)果，該結(jié)果在測試臺上測得。綠線顯示了應(yīng)用于上橋臂開關(guān)上升沿的死區(qū)（DTR）。紅色曲線給出了不同死區(qū)設(shè)置下的上橋臂開關(guān)導(dǎo)通時間的發(fā)展趨勢，黑色虛線顯示了其3階近似曲線。

給定的死區(qū)掃描范圍通過描述系統(tǒng)特性以及定義最好情況（最短死區(qū)）和最壞情況（最長死區(qū)）來確定。掃描在90%負(fù)載（Vin = 12V，Vout = 3.3V，Iout = 9A）條件下以最高分辨率4 ns進行。在圖的左側(cè)，占空比的起始值約為1.394 ？s，并且只要死區(qū)增大，占空比就會迅速降低。在此區(qū)域中，上橋臂開關(guān)與下橋臂開關(guān)已顯示出有所重疊，并且從輸入汲取的一些功率直接短路至地。

在死區(qū)約為25 ns時，導(dǎo)通時間達到最小值1.384 ？s，之后隨死區(qū)的進一步增大而再次上升。在非可調(diào)設(shè)計中，死區(qū)已針對所使用的開關(guān)調(diào)整到至少70 ns，因此這種運行條件下的典型導(dǎo)通時間為1.395 ？s。根據(jù)圖2中的公式III，原始上橋臂導(dǎo)通時間與最優(yōu)上橋臂導(dǎo)通時間的差異為11 ns。初看之下，這種差異似乎不大，但從高頻轉(zhuǎn)換器的角度看，該差異代表了約0.9%的效率提升，相當(dāng)于總效率從大約92%升至93%。

可調(diào)開關(guān)頻率和補償網(wǎng)絡(luò)

另一個非常好的功能是能夠通過軟件調(diào)整補償網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)頻率。這不僅簡化了設(shè)置配置期間的基本調(diào)整，還允許在運行時進行調(diào)整。迄今為止，這仍然是全數(shù)字控制器尚未取得突破的核心領(lǐng)域。在硬開關(guān)拓?fù)洌ㄈ缤浇祲恨D(zhuǎn)換器）中，大部分功耗主要來自開關(guān)損耗。要提高效率（尤其是輕載條件下），降低開關(guān)頻率可對提高轉(zhuǎn)換器的總體效率有顯著幫助。但是，當(dāng)降低開關(guān)頻率時，如果硬件中的補償網(wǎng)絡(luò)固定，通常增益會開始下降，并可能導(dǎo)致增益裕量和相位裕量損失。為補償這種效應(yīng)，需要調(diào)整系統(tǒng)的增益。MCP19111提供了多個寄存器，用于調(diào)整PWM發(fā)生器的斜坡電壓、零點頻率（原點處的諧振頻率，定義第一個極點）、總增益、斜率增益以及斜率本身。此外，還有寄存器組用于調(diào)整放大器失調(diào)和電流檢測增益。雖然此技術(shù)可能需要冗長的系統(tǒng)特性化過程，但有很大幾率可顯著提升效率和穩(wěn)定性。

極輕負(fù)載效率優(yōu)化

在異步降壓轉(zhuǎn)換器中，續(xù)流二極管中的功耗通過正向壓降乘以電流確定。由于二極管兩端永久存在較大的正向壓降并且無法最小化，因此通常使用一個正向壓降低很多的附加開關(guān)來旁路/替代二極管，最終構(gòu)成一個同步整流器。此技術(shù)常用于負(fù)載電流超過1A的情況。但是，在輕載條件下，如果有非常少的電流流經(jīng)下橋臂開關(guān)，則驅(qū)動其柵極所需的功率會超出使用開關(guān)旁路續(xù)流二極管所節(jié)省的功率。為了在此特殊情況下進一步提高效率，MCP19111提供了所謂的二極管仿真模式，使能此模式時將關(guān)斷下橋臂驅(qū)動器。禁止驅(qū)動器之后，柵極將不再偏置，并且MOSFET的內(nèi)部二極管將成為整流器，從而最大程度降低功耗。

使用Microchip全新的功率MOSFET系列MCP870xx可對上述用于將部分功耗降至最低和提高系統(tǒng)總效率的措施提供額外支持。此系列快速功率MOSFET具有低RDS（on）和均衡的品質(zhì)因數(shù)（FOM），可提供一系列不同的導(dǎo)通電阻與柵極總電荷（QT）組合來優(yōu)化半橋的總FOM。下橋臂開關(guān)的QT越高，MCP19111的二極管仿真模式越有效。

優(yōu)化空載操作

MCP19111是電流模式控制器，在正常工作期間可提供最佳性能。但是，電流模式控制器需要至少有一些電流流過才能正常工作。當(dāng)負(fù)載切換至低功耗待機操作時，轉(zhuǎn)換器的輸出仍必須提供標(biāo)稱輸出電壓，但輸出功率可能幾乎為零。通常，電流模式控制器會切換至輸出紋波較高的某種間斷（hick-up）模式或脈沖頻率模式（PFM）操作，這會超出線路穩(wěn)壓容限并且還經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI問題。要克服典型電流模式控制器的這一限制，可通過禁止電流環(huán)來將MCP19111切換至偽電壓模式控制，從而改善輸出電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

可用性和工具鏈

MCP19111的一系列增強功能提供了大量用于配置和優(yōu)化系統(tǒng)的選項。MCU開放的可編程性增加了更多的自由度。因此，Microchip提供了如圖4所示的圖形用戶界面（GUI），用戶無需編寫代碼即可進行特定調(diào)整和配置。此GUI與開源固件配合使用，可以對該固件進行修改并將其用作模板來開發(fā)各種更高級的功能。

除了配置接口，Microchip還提供了另一個GUI用于測試目的，使用戶可通過PMbusTM協(xié)議直接與器件通信（見圖5）。此GUI與Microchip的PICkitTM串行分析器（部件編號DV164122）配合使用，該分析器是通用的低成本USB轉(zhuǎn)UART/SPI/I？C接口，可在工作期間直接用于監(jiān)視和調(diào)試器件。

總結(jié)

雖然大多數(shù)技術(shù)已為人所知，并且某些功能還可在現(xiàn)有器件中找到，但MCP19111系列器件仍開啟了智能開關(guān)穩(wěn)壓器的歷史新篇章。大量專用功能連同自由的可編程性，凸顯了其強大之處。在智能電源控制器領(lǐng)域，MCP19111將模擬與數(shù)字控制方案緊密融合在一起，并使所有功能都可被工程師使用和訪問來消除現(xiàn)有限制，從而為創(chuàng)新、高效且可靠的高性能POL轉(zhuǎn)換器奠定了基礎(chǔ)。