如何选择满足智能电源要求的MCU

电源继续提供新功能，以提高要求苛刻的通信，工业和医疗应用中的效率，安全性和可管理性。 MCU越来越成为这些智能电源的关键元件，并实现了广泛的控制，传感和管理功能。了解一些更高级的MCU硬件功能及其简化智能电源设计的方法对于使用嵌入式系统的任何硬件设计人员都非常有用。

本文将说明嵌入式设计人员可用于满足智能电源要求的几个关键MCU功能。在启动条件下控制电源是一个明显的要求，但感应，记录和通信电源操作可能是最佳应用MCU功能的领域。

可靠性，安全性和效率

如今，可靠性，安全性和效率是大多数电源子系统关注的客户关注点。然而，这些要求经常与低成本，小板空间和易于设计的传统问题相冲突。使用高级MCU作为智能电源设计的控制器可以帮助减轻这些冲突中的一些冲突，从而创建更优化的设计。现代MCU在小型电路板空间中具有显着的功能，成本极低，参考设计，代码示例和开发平台的可用性大大简化了实施。

通常MCU需要一些外部支持设备来完成设计。找到正确的MCU和正确的外部设备的正确组合是高效实施的关键。快速了解一些重要的片上MCU功能以及与MCU高效配对的一些常见外部设备将有助于指导您自己选择设备，以便根据您的自定义要求进行有效实施。

有助于将MCU定位为高效电源控制器的最重要趋势之一是在电源应用中开发标准接口。例如，作为MCU外围设备的行业标准，I 2 C和SPI总线的发展使得“构建”通用子系统变得容易，并且可以利用标准驱动程序和更高级别的软件功能。闪存，模数转换器，数模转换器，温度，电压和电流传感器均可共用一个公共SPI或I 2 C总线，从而减少引脚数要求并简化软件设计。

电源管理总线或PMBus是另一种行业标准串行接口，在开发时考虑了电源控制。该总线基于I 2 C标准，但包括一些特定功能，以简化与常见电源元件的通信，如测量的电流水平，电压水平，温度和风扇速度。该总线支持DC/DC控制器，稳压器和接口设备的开发，大大提高了基于MCU的电源子系统的潜在智能。 Linear Technology的一些面向PMBus的DC/DC控制器和稳压器（例如LTC3883）的示例如下面的图1所示。

图1：Linear Technology PMBus框图。 （由Linear Technology提供）

除了各种DC/DC控制器和稳压器外，Linear还配备了DC1613 PMBus控制器，如图1左上方所示。该接口可直接插入笔记本电脑和SMBus连接器。当与LTC提供的LTPowerPlay软件结合使用时，该器件可用于快速测试和配置PMBus器件，以加速系统开发。 LTC还提供评估套件DC1778A，可用于探索基于PMBus的DC/DC控制器（如LTC3883）的使用。

大多数现代MCU直接支持PMBus标准，这使得它成为可能。易于实现高级电源子系统所需的智能。例如，恩智浦LPC11xx MCU有一个可以实现PMBus的串行外设控制器，应用笔记 1 解释了如何实现PMBus软件堆栈。寻找简化代码开发的这些类型的资源 - 它们在加速基于MCU的实现方面具有无可估量的价值。

除了片上PMBus支持外，其他一些常见的电源要求可以帮助您选择MCU控制器。通常，脉冲宽度调制或PWM技术用于控制智能电源设计中的电压和/或电流。例如，为电流控制MOSFET开关的“导通时间”设置占空比通常使用具有PWM功能的定时器外设来完成，因此MCU无需花费大量CPU周期来管理MOSFET控制输出。一些MCU具有片上模数转换器和数模转换器，可用于检测温度和控制模拟外设的电压。当需要数据记录来跟踪电源子系统性能时，在芯片上快速存储非易失性数据的能力是另一个有用的功能。瑞萨RL78 MCU，如图2所示，是现代MCU的一个例子，其中包含许多片上功能。具有PWM功能的大量定时器，片上数据闪存，模数转换器以及支持PMBus的串行接口均可用于智能电源设计。

图2：瑞萨RL78 MCU的框图。 （由Renesas提供）

瑞萨还提供了一个应用笔记和示例代码，说明了如何为RL78/I1A实现PMBus。示例代码显示了如何在I 2 C串行接口上支持PMBus传输/接收。该代码在C中可用，该示例使用Renesas CubeSuite + IDE。

外部设备支持

通常，MCU无法提供实现电源子系统所需的所有功能。例如，用于接通和断开所需大电流的外部高功率MOSFET器件最有效地实现为独立器件。在片上集成这些器件通常比使用专用器件更昂贵，因此您通常会在设计中使用至少一些外部MOSFET或IGBT以及可能的专用驱动器。一些MOSFET驱动器集成了片上控制和监控逻辑，这可以使设计更容易，更智能。例如，STMicroelectronics PM8834是一款双低侧驱动器，适用于对MOSFET或IGBT等大容性负载进行充电和放电。 PM8834的框图如下图3所示。

图3：STMicroelectronics PM8834框图。 （由STMicroelectronics提供）

使能引脚可以在错误条件下轻松覆盖PWM控制输入，从而提高安全性和可靠性。此外，在框图中间的UVLO模块有助于控制驱动器的上升（它可以使驱动器保持关闭状态，直到达到UVLO阈值）。对于大于UVLO阈值（UVLOVCC）的VCC电压，只要相应的使能引脚有效，PWM输入就会保持对驱动器操作的控制。 PWM_1和PWM_2都在内部下拉，因此，如果悬空，则相应的输出引脚放电。这些简单但有用的功能可以简化编码并提高设计的可靠性和安全性。

在一些较大的交流电源子系统中，接近统一的功率因数（真实比率）流向负载的功率到电路中的视在功率是提高功率输送效率的要求。功率因数校正可用于“整形”控制子系统内的电流和电压波形，以改善电力子系统的总功率因数。这样做的方法很复杂，但可以在具有足够处理能力的MCU中实现。然而，一种有吸引力的替代方案是使用实现功率因数校正的专用外部设备。 ADI公司的ADP1047如下图4所示，采用传统的升压功率因数校正技术提供浪涌电流控制，输出电压反馈与输入电流和电压相乘。这提供了最佳的谐波校正，并提供了改进的系统功率因数。

图4：ADI公司的ADP1047框图。 （由ADI公司提供）

有几种状态输出可用作外部信号，以便快速指示何时操作偏离标称值。所有关键参数也可以通过PMBus接口进行报告和调整，从而可以轻松地将器件包含在基于MCU的设计中。 ADP1047还可对输入电压，电流和功率进行精确的均方根测量，从而为设计增添重要智能。使用专用设备可以增加所需的物料清单，但增加的功能，无需学习和实施不熟悉的控制算法，可以节省数月的开发时间 - 这是许多项目的关键优势。

结论

片上MCU功能和外部设备的精确组合更像是一门艺术而非科学，但理解这些权衡是高效设计的核心是一个好的开始点。确保您及时了解针对电源设计的新MCU功能，以及为复杂算法添加功能和简化软件开发的新外部设备。示例代码，参考设计和开发板都应包含在任何有效的电源子系统设计中。