将模拟与数字控制相结合的新智能电源

工程师黄明星 发表于 2018-06-13 18:40:00 收藏 已收藏
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将模拟与数字控制相结合的新智能电源

工程师黄明星 发表于 2018-06-13 18:40:00

简介

在许多系统中,使用单片机来控制多个负载点(POL)直流/直流转换器,从而构成混合控制系统以管理系统启动行为、监视电气参数并管理外设子系统的功耗。不过,最复杂的解决方案可在计算机主板、图形卡或服务器的CPU刀片上找到,其中稳压器模块(VRM)直接与其负载通信来调整电源电压,并且/或者甚至调整其控制特性来适应临时的工作条件。这种“智能”电源转换管理和控制在总体系统效率、性能和可靠性方面具有显著优势——简而言之:是工业、医疗、汽车以及消费类细分市场的首选解决方案。

主体部分

最近十年来,Microchip Technology Inc专注于所谓的智能电源转换(IPC/SPC)应用,为各种各样的电源转换应用带来了更多特性和增强功能。一直以来的一个主要焦点是,采用基于DSP的高性能单片机(带有高专用性的高速高分辨率外设)以及用于混合控制系统(将单片机与全模拟控制环结合在一起)的专用控制器系列对电源转换器/逆变器进行全数字控制。更深入地研究特定解决方案后,显然可以发现,基于模拟的混合控制系统不是100%模拟,全数字解决方案也不是100%数字。这两种解决方案都迫切需要模拟和数字的替代方案来克服特定限制,从而针对特定的目标应用具有特定优势。最新的智能电源转换控制器产品系列MCP191xx面向专用电源转换器拓扑和应用,它标志着电源转换器的智能化取得了新的技术进步。

该产品系列的首个成员MCP19111将高性能模拟同步降压转换控制器和8位MCU合并为单片IC,从而提供增强、灵活的配置、控制和监视功能,同时允许集成标准化或专有通信,以在更高级的电源管理结构中安排多个转换器。与其他现有的混合POL控制器不同,MCP19111可完全采用C语言编程。这一优势提供了充分的灵活性,从而可调整器件以满足不同的应用要求,适应特定的工作条件以及实现通用的监视任务和定制功能。该器件具有4.5V至32V的直流宽输入电压范围、低至0.5V的输出电压,以及最高支持2A拉电流/4A灌电流的驱动器,因而可支持各种应用。

数字增强功能

数字控制器和模拟开关稳压器在同一芯片上可以使模拟功能与数字控制紧密融合,从而允许在运行时直接操纵补偿电路、开关频率、死区控制、系统级阈值以及许多其他功能。此外,由于MCU本身采用模拟开关稳压器架构进行封装,因而无需额外的辅助电源或外部MOSFET驱动器。图1给出了MCP19111数字增强型电源模拟控制器的高阶框图以及一个典型应用电路。模拟开关稳压器部分完全涵盖了模拟控制环的所有元件(包括MOSFET驱动器),还包含MCU的辅助电源。数字部分由8位PIC12F中档MCU内核、8 KB的闪存以及256字节的RAM组成。此外,它还提供了多达15个GPIO(其中8个为附加模拟输入)、1个基于I?CTM/SMbus的串行通信接口、外部中断以及3个自由定时器。许多内部信号(如输入电压、输出电压或电感电流)可直接在片上进行监视,无需外部传感。数字实现甚至允许读取电流占空比,这在目前还是一项非常有用的功能,但由于许多技术原因,仅供全数字控制器使用。

将模拟与数字控制相结合的新智能电源

将模拟与数字控制相结合的新智能电源

效率最大化

除了增强的监视功能,数字内核的单片集成电路还允许直接访问许多参数,这些参数通常在硬件中固定或无法在硅片中访问。最值得注意的是可调死区、可编程补偿器、内部反馈校准、可编程保护阈值,以及在运行时于电流与电压模式控制之间进行切换的能力。

可调死区

在同步降压转换器中,上桥臂开关与下桥臂开关之间的死区设置对系统总效率有显著影响。如果模拟控制器完全不提供任何可调死区设置,那么设计人员必须参考某种考虑到最高温度和负载条件的最坏情况(死区通常需要设置为最大值),并将此值“编程”到硬件中,例如通过放置电容和/或电阻。这必然会增大内核与二极管的损耗,因为转换器很可能永远不会置于这些假定的最坏情况下。

一个适当的解决方案是自动调整死区以适应特定负载和温度条件。遗憾的是,使用板上过零检测器始终以最佳死区来驱动开关会存在某些严重限制,原因有二。首先,各种模拟过零检测器均基于比较器。最快(经济实惠)的模拟比较器的典型传播延时为15-20 ns,其结果如图3所示,传播过慢而无法达到最佳级别。其次,此过零检测器必须工作在半桥的开关节点,此处存在高频开关噪声需要滤波,这会进一步降低触发速度,最终导致此功能失效。

但是,模拟领域无法解决的问题,在数字领域会找到解决方案。实现此最优化的最常见技术是,监视并分析转换器的外部条件直至其达到稳定为止。只要检测到稳态运行,就会修改死区并监视上桥臂开关的占空比。此恒压转换器技术的原理是,在稳态条件下,上桥臂开关的最短相对导通时间决定了最高效率点,因为在这一点只需从总线汲取最少的功率即可提供一定的恒定输出功率(见图2)。

将模拟与数字控制相结合的新智能电源

图3给出了稳态运行期间在定义的死区设置范围内单次扫描的结果,该结果在测试台上测得。绿线显示了应用于上桥臂开关上升沿的死区(DTR)。红色曲线给出了不同死区设置下的上桥臂开关导通时间的发展趋势,黑色虚线显示了其3阶近似曲线。

将模拟与数字控制相结合的新智能电源

给定的死区扫描范围通过描述系统特性以及定义最好情况(最短死区)和最坏情况(最长死区)来确定。扫描在90%负载(Vin = 12V,Vout = 3.3V,Iout = 9A)条件下以最高分辨率4 ns进行。在图的左侧,占空比的起始值约为1.394 ?s,并且只要死区增大,占空比就会迅速降低。在此区域中,上桥臂开关与下桥臂开关已显示出有所重叠,并且从输入汲取的一些功率直接短路至地。

在死区约为25 ns时,导通时间达到最小值1.384 ?s,之后随死区的进一步增大而再次上升。在非可调设计中,死区已针对所使用的开关调整到至少70 ns,因此这种运行条件下的典型导通时间为1.395 ?s。根据图2中的公式III,原始上桥臂导通时间与最优上桥臂导通时间的差异为11 ns。初看之下,这种差异似乎不大,但从高频转换器的角度看,该差异代表了约0.9%的效率提升,相当于总效率从大约92%升至93%。

可调开关频率和补偿网络

另一个非常好的功能是能够通过软件调整补偿网络和开关频率。这不仅简化了设置配置期间的基本调整,还允许在运行时进行调整。迄今为止,这仍然是全数字控制器尚未取得突破的核心领域。在硬开关拓扑(如同步降压转换器)中,大部分功耗主要来自开关损耗。要提高效率(尤其是轻载条件下),降低开关频率可对提高转换器的总体效率有显著帮助。但是,当降低开关频率时,如果硬件中的补偿网络固定,通常增益会开始下降,并可能导致增益裕量和相位裕量损失。为补偿这种效应,需要调整系统的增益。MCP19111提供了多个寄存器,用于调整PWM发生器的斜坡电压、零点频率(原点处的谐振频率,定义第一个极点)、总增益、斜率增益以及斜率本身。此外,还有寄存器组用于调整放大器失调和电流检测增益。虽然此技术可能需要冗长的系统特性化过程,但有很大几率可显著提升效率和稳定性。

极轻负载效率优化

在异步降压转换器中,续流二极管中的功耗通过正向压降乘以电流确定。由于二极管两端永久存在较大的正向压降并且无法最小化,因此通常使用一个正向压降低很多的附加开关来旁路/替代二极管,最终构成一个同步整流器。此技术常用于负载电流超过1A的情况。但是,在轻载条件下,如果有非常少的电流流经下桥臂开关,则驱动其栅极所需的功率会超出使用开关旁路续流二极管所节省的功率。为了在此特殊情况下进一步提高效率,MCP19111提供了所谓的二极管仿真模式,使能此模式时将关断下桥臂驱动器。禁止驱动器之后,栅极将不再偏置,并且MOSFET的内部二极管将成为整流器,从而最大程度降低功耗。

使用Microchip全新的功率MOSFET系列MCP870xx可对上述用于将部分功耗降至最低和提高系统总效率的措施提供额外支持。此系列快速功率MOSFET具有低RDS(on)和均衡的品质因数(FOM),可提供一系列不同的导通电阻与栅极总电荷(QT)组合来优化半桥的总FOM。下桥臂开关的QT越高,MCP19111的二极管仿真模式越有效。

优化空载操作

MCP19111是电流模式控制器,在正常工作期间可提供最佳性能。但是,电流模式控制器需要至少有一些电流流过才能正常工作。当负载切换至低功耗待机操作时,转换器的输出仍必须提供标称输出电压,但输出功率可能几乎为零。通常,电流模式控制器会切换至输出纹波较高的某种间断(hick-up)模式或脉冲频率模式(PFM)操作,这会超出线路稳压容限并且还经常导致严重的EMI问题。要克服典型电流模式控制器的这一限制,可通过禁止电流环来将MCP19111切换至伪电压模式控制,从而改善输出电压和系统稳定性。

可用性和工具链

MCP19111的一系列增强功能提供了大量用于配置和优化系统的选项。MCU开放的可编程性增加了更多的自由度。因此,Microchip提供了如图4所示的图形用户界面(GUI),用户无需编写代码即可进行特定调整和配置。此GUI与开源固件配合使用,可以对该固件进行修改并将其用作模板来开发各种更高级的功能。

除了配置接口,Microchip还提供了另一个GUI用于测试目的,使用户可通过PMbusTM协议直接与器件通信(见图5)。此GUI与Microchip的PICkitTM串行分析器(部件编号DV164122)配合使用,该分析器是通用的低成本USB转UART/SPI/I?C接口,可在工作期间直接用于监视和调试器件。

将模拟与数字控制相结合的新智能电源

将模拟与数字控制相结合的新智能电源

总结

虽然大多数技术已为人所知,并且某些功能还可在现有器件中找到,但MCP19111系列器件仍开启了智能开关稳压器的历史新篇章。大量专用功能连同自由的可编程性,凸显了其强大之处。在智能电源控制器领域,MCP19111将模拟与数字控制方案紧密融合在一起,并使所有功能都可被工程师使用和访问来消除现有限制,从而为创新、高效且可靠的高性能POL转换器奠定了基础。

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