混合电源控制器——连接模拟和数字领域

您可能已经注意到越来越多的电子设备如何继续填满您的生活。过去非常简单和平凡的设备似乎演变成更智能、更复杂的技术。即使是您的简单牙刷，它也配备了电动和互联网连接的电子表兄弟 - 具有压力检测和指导刷牙时间 - 以获得完美的微笑。

介绍

有些设备使用电池，而有些设备直接连接到电源，但所有设备都需要电源。如果我们将视野扩大到世界范围内，受电设备的数量将达到数十亿。按理说，如果每个设备都尝试使用和浪费尽可能少的电力，就会带来巨大的好处。

智能设备对电源的需求比以往更高，因为现代应用往往从待机模式下的毫瓦功耗转变为开启时的几百瓦功耗。

为了支持这种宽工作模式，传统的开关模式电源还不够好。您需要一个可以即时切换模式的电源。

传统上，电源 是作为模拟解决方案实现的，要么使用分立组件，要么使用带有支持组件的模拟电源设备。这样，整个控制系统就作为一个模拟反馈回路来实施。优点是这些系统非常便宜且易于设计。有广泛的 ASIC 开关模式解决方案组合，专为大多数常见用例量身定制，但其中许多无法适应现代智能设备不断变化的需求。

另一方面，数字电源非常强大。全 数字电源将所有输入信号数字化，随后所有信号处理都在数字域中完成。这需要大量的计算能力来控制，因此传统上这属于具有高计算性能的专用 DSP 和微控制器领域。与模拟解决方案相比，数字电源具有许多优势。它们可以轻松适应不同的拓扑结构，并且可以轻松调整和调整以实现最高效率。全数字解决方案的主要缺点是成本和开发复杂性。

因此，一方面我们拥有价格低廉且快速但不灵活的模拟电源，而另一方面我们拥有非常灵活和强大但也更复杂且相当昂贵的数字电源。

如果存在第三种选择，将模拟和数字电源解决方案的优势结合在一起，那岂不是很好？

图 1：模拟、数字和混合电源解决方案之间的关系。

这就是混合动力系统发挥作用的地方。在混合电源解决方案中，反馈回路是模拟的，但经过数字增强。通过这种方式，混合电源系统将数字逻辑与模拟电路相结合，以在单个设备中利用这两个领域的优势。拥有数字增强型模拟环路，我们可以轻松更改拓扑或控制模式运行时间，以调整应用程序以获得最佳性能（图 1）。

让我们看一个简单的例子来说明它的优点。

在电池充电器应用中，您需要对给定的电池单元严格遵循充电特性。有些需要在充电的早期以固定和调节的电流充电，当电池接近充满电时，它从电流控制切换到电压控制——电压被调节，电流被降低。

对于混合动力解决方案，这是一项非常简单的任务。只需在电流模式控制下启动，到时再切换到电压模式控制。硬件和拓扑保持不变，但传感发生了切换。

如前所述，混合电源解决方案基于数字增强型模拟环路系统。整个混合动力系统设置为在核心独立外设 (CIP) 中运行。具有 CIP 混合电源功能的微控制器具有先进的自主 PWM 控制器，该控制器高度可配置以支持各种拓扑和控制模式。

图 2：CIP 混合电源控制器

图 2 显示了一个非常简化的 CIP 混合电源控制器图示。它由一个通用微控制器和一个 PWM 控制器组成，该控制器能够完全独立于微控制器的其余部分运行。该 PWM 控制器分为三个主要功能，如图 3 所示。调制器模块负责生成到外部功率晶体管的开关信号。根据控制模式，它将使用电流或电压反馈信号来调节占空比。它还包括用于稳定性的斜率补偿。故障模块负责在短路或过流情况下关闭电源。

图 3：具有 PWM 的 CIP 混合电源控制器

将整个系统配置为一个独立的模块从系统角度来看是一个巨大的优势，因为电源可以独立运行，并且 MCU 可以自由地用于更高级别的功能，如与主控制器通信、执行板控制功能或提供PWM控制器的高端控制。

在 LED 照明的情况下，获得正确的色温需要非常精确地控制电流。环境温度可能会对此产生影响，但在具有混合电源解决方案的微控制器中，微控制器可以轻松监控环境温度并进行相应的补偿。

您可能会说控制 RGBW LED 灯条需要四个独立的通道，在这种情况下，您会很高兴知道其中一些 CIP 混合电源控制器包含四个完全独立的 PWM 控制器，它们都可以单独控制。它们也不需要输出相同的电压。您可以使用这些设备之一为您的系统提供 1.8V、3.3V 和 5V。

设计挑战——保持简单

微控制器通常使用 C 等高级编程语言进行编程，而电源设计人员通常使用模拟仿真工具来设计和调试他们的设计。传统上，微控制器软件开发人员在设计电源方面的经验很少或没有，同样，电源系统设计人员通常也没有为微控制器编写代码的经验。这提供了一个挑战。您如何让经验丰富的电源设计人员对混合电源控制器进行编程和配置？

答案是提供图形开发工具，将 PWM 控制器的整个配置简化为几个简单的步骤。在幕后，开发工具生成设置 PWM 控制器所需的所有必要初始化代码，例如具有峰值电流模式控制和所有正确调制、补偿和故障检测的同步降压拓扑。

Microchip已经发布了一系列名为 PIC16F176x 和 PIC16F177x 的微控制器。它们提供多达四个独立的 PWM 控制器，并且在 MPLAB® X 中的图形代码配置器中得到完全支持，如下图所示。该工具专为模拟电源设计人员设计，并按照设计人员通常设计模拟电源的方式进行设计。无需编写 C 代码和配置寄存器，您只需选择电源拓扑、控制模式并填写适当的值，如开关频率和最大 PWM 占空比。然后配置器负责其余的工作并生成初始化代码。

图 4：MPLAB IDE

这里的优势在于，在正常运行期间，没有代码运行。该代码仅用于设置 PWM 控制器中的所有互连。一旦运行，PWM 控制器就可以完全运行，无需 MCU 交互（图 4）。
 

审核编辑：汤梓红