實(shí)現(xiàn)電源智能化

智能控制的電源

世界上有許多供電應(yīng)用，其中大部分只需要一個(gè)干凈的電流源或電壓源即可完成工作。在這些應(yīng)用中，越來(lái)越多的應(yīng)用需要通過(guò)某種智能算法來(lái)調(diào)整電壓或電流以改善性能、降低功耗或者實(shí)現(xiàn)某種新功能，從而使產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。其中一些應(yīng)用包括：

1) 用于太陽(yáng)能系統(tǒng)或能量采集的最大功率點(diǎn)追蹤。

2) 電池充電，尤其是一些較為奇特的化學(xué)物質(zhì)。

3) 具有調(diào)光或日光采集功能的LED照明。

4) 通過(guò)備用電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。

在每種應(yīng)用中，都會(huì)添加單片機(jī)來(lái)執(zhí)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(tǒng)只需要與人或其他系統(tǒng)交互的智能。這些系統(tǒng)包括PC主板上的SMbus功率元件，汽車(chē)內(nèi)基于LIN接口的照明系統(tǒng)或大型建筑中的以太網(wǎng)管理電源板。只需向現(xiàn)有產(chǎn)品添加通信功能，即可將產(chǎn)品的實(shí)用性和價(jià)值提高幾個(gè)等級(jí)或?qū)哟巍?/p>

傳統(tǒng)智能電源

很多智能電源系統(tǒng)采用“蠻力”方法，即僅僅向現(xiàn)有電源系統(tǒng)添加一個(gè)MCU。這樣做的風(fēng)險(xiǎn)很低，因?yàn)楝F(xiàn)有系統(tǒng)能完成任務(wù)且已被充分理解。新的部分僅僅是智能。在這一過(guò)程中，通常要為電壓、電流、溫度和其他參數(shù)（如現(xiàn)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(lái)控制現(xiàn)有電源的功能，如使能和電壓設(shè)定值。很多SMPS ASIC已通過(guò)I/O引腳或I2C?連接實(shí)現(xiàn)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(guò)驗(yàn)證后，便可利用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)工具（如MPLAB X IDE和PICkit 3）快速開(kāi)發(fā)附加功能。通常，這種方法不需要軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)完全精通SMPS設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，因?yàn)镾MPS團(tuán)隊(duì)會(huì)單獨(dú)驗(yàn)證系統(tǒng)的這一部分。

數(shù)字電源

為了節(jié)省成本，開(kāi)發(fā)人員對(duì)完全集成SMPS和MCU有著強(qiáng)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(lèi)器件能夠?qū)崿F(xiàn)由軟件控制的全數(shù)字反饋系統(tǒng)。如果性能足夠高，則可在軟件中實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的反饋算法，這樣硬件上就變得非常簡(jiǎn)單。這種方法極具吸引力，但有幾點(diǎn)需要考慮。

1)當(dāng)故障排除中必須包含ADC和算法時(shí)，傳統(tǒng)的切斷/跳轉(zhuǎn)調(diào)試方法不再那么有效。

2)軟件團(tuán)隊(duì)必須理解SMPS補(bǔ)償?shù)男阅芎蛿?shù)學(xué)要求。有時(shí)一些非常微小的代碼變化都會(huì)對(duì)穩(wěn)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(jì)算量大的算法將影響系統(tǒng)效率。

如果這些限制在系統(tǒng)中不成問(wèn)題，那么便可利用軟件實(shí)現(xiàn)一些相當(dāng)神奇的事情。

混合智能電源

“蠻力”方法和全數(shù)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(shè)的混合信號(hào)控制器與必需的MCU功能組合在單個(gè)集成電路中。其中一種代表性的器件就是PIC16F753。PIC16F753將運(yùn)算放大器（運(yùn)放）、斜率補(bǔ)償器、DAC、比較器和脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成在單個(gè)14引腳的單片機(jī)中。其中每個(gè)外設(shè)都可編程，并且它們可以各種方式組合來(lái)創(chuàng)建大量電流模式電源。由于這些外設(shè)可在軟件中配置，因此可以動(dòng)態(tài)地更改配置來(lái)適應(yīng)各種電源狀況。例如，當(dāng)玩具待機(jī)時(shí)，比較恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ峭ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的固件前饋調(diào)節(jié)器將玩具中的電源作為滯后控制器來(lái)操作。當(dāng)玩具激活時(shí)，可快速將電源重新配置為不同工作頻率下的連續(xù)電流模式，準(zhǔn)備執(zhí)行動(dòng)作。由于整個(gè)電源在MCU的外設(shè)內(nèi)部進(jìn)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(shè)計(jì)生命周期的后期添加。這樣便有可能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并減少元件數(shù)量。固件也能從電源行為的額外可視性中受益且無(wú)需增加新元件。電源的設(shè)計(jì)過(guò)程與傳統(tǒng)方法幾乎相同。步驟如下：

1)確定電源拓?fù)?/p>

2)創(chuàng)建電源并計(jì)算元件值

3)配置內(nèi)部外設(shè)（20行代碼）

4)驗(yàn)證性能并調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

5)編寫(xiě)通信和智能接口代碼。

第5步不需要了解詳細(xì)的電源知識(shí)便可完成，因?yàn)橥庠O(shè)配置將由電源工程團(tuán)隊(duì)設(shè)置并驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)過(guò)程

● 確定電源拓?fù)?/p>

● 創(chuàng)建模型并計(jì)算元件值

● 配置電源的單片機(jī)外設(shè)

● 調(diào)整模擬反饋環(huán)

● 編寫(xiě)通信和智能代碼

通用配置

大多數(shù)使用PIC16F753創(chuàng)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(shè)配置為產(chǎn)生大多數(shù)電流模式的固定頻率電源。COG是互補(bǔ)輸出發(fā)生器。其功能是通過(guò)上升沿和下降沿輸入構(gòu)成的可編程死區(qū)生成互補(bǔ)輸出。CCP配置為生成可編程的頻率上升沿。當(dāng)電流超出斜率補(bǔ)償器的輸出時(shí)，比較器C1生成下降沿。CCP可與C1結(jié)合來(lái)產(chǎn)生最大占空比。一些拓?fù)洌ㄈ缟龎?、反激或SEPIC）需要最大占空比。運(yùn)放OPA用于提供反饋和補(bǔ)償。圖中由DAC為運(yùn)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(yùn)放提供參考電壓。斜率補(bǔ)償器可通過(guò)比較器或COG復(fù)位。其工作原理是使用可編程灌電流來(lái)使預(yù)充電到其輸入（此例中為OPA）所設(shè)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(diào)節(jié)電流的示例。

升壓LED電源示例

構(gòu)建并測(cè)試硬件后，只需實(shí)現(xiàn)一些基本功能便可增加智能，如下所示：

LED驅(qū)動(dòng)器流程圖

最大功率點(diǎn)狀態(tài)機(jī)

電池充電器狀態(tài)機(jī)

結(jié)論

向電源添加MCU得到的最終結(jié)果遠(yuǎn)比單獨(dú)使用器件時(shí)強(qiáng)大。集成可采用如下幾種形式：僅將MCU接入現(xiàn)有SMPS設(shè)計(jì)，通過(guò)高性能dsPIC建立全數(shù)字SMPS，或使用混合信號(hào)MCU將模擬SMPS功能與MCU集成到單個(gè)芯片上。