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microchip智能电源设计解决方案

 

 

当今的电源设计人员必须设计出提供高效率、高功率密度、高可靠性、高级通信功能和高级控制功能的电源转换产品。而且,始终需要以较低的成本、快速地将这些产品开发出来并推向市场。基于此,Microchip提供了一套完整的智能电源解决方案来帮助设计人员应对这些挑战。

什么是智能电源?

传统的电源设计使用功能固定的模拟IC来提供稳压电源。智能电源集成了单片机(MCU)或数字信号控制器(DSC),以提供完全可编程的灵活解决方案。以下是智能电源功能的

一些示例:

■ 数字开/关控制,实现低待机功耗

■ 电源时序和热插拔控制

■ 可编程软启动特性

■ 电源历史记录和故障管理

■ 输出电压裕度

■ 电流折返控制

■ 负载共享和均衡

■ 稳压参考电压调整

■ 补偿网络控制和调整

■ 电源控制环的全数字控制

■ 通信

■ 交流RMS电压测量

■ 功率因数校正

智能电源应用的示例包括:

■ 交流/直流转换器

■ 直流/直流转换器

■ 不间断电源(UPS)

■ 可再生电源/纯正弦波逆变器

■ 电池充电器

■ HID、LED和荧光灯镇流器

为什么需要智能电源转换?

使用数字控制来实现电源转换功能,可为开发人员的设计和应用带来很多好处。这些功能是通过可再编程软件以及Microchip的数字增强型电源模拟技术及其PIC®MCU和dsPIC®DSC解决方案提供的性能和特性来执行电源转换控制而实现的。

智能电源转换减少了系统元件数为磁性元件和电源元件提供了宝贵的电路板空间。电源控制、稳压和保护功能可集成到同一器件中。而辅助功能(例如风扇控制和数据记录)也可轻松集成。

智能电源转换允许针对不同应用进行相应配置通过智能电源转换,电源成为了用于多种不同应用的平台解决方案。可轻松地对电源进行再编程,以支持各种输出电压级别、操作限制和控制输入。这就减少了库存开销和多个平台所需的支持。

智能电源转换提高了系统效率对于非智能电源,必须针对—个工作点对其进行优化,工作负载的变化通常意味着系统效率的下降。而对于智能电源来说,可采用许多种方法来使智能电源设计适应负载变化。这包括改变电源开关频率和改变控制环的配置。智能电源可监视内部温度且仅在需要时向散热风扇供电。它们还可以动态改变控制环的行为,从而提供对负载条件的最佳系统响应。

智能电源转换可降低待机功耗在电源设计中融入智能之后,在待机时仅消耗毫瓦或微瓦级的交流输入功率。而且在关闭了应用的偏置电源时还可以监视电子控制输入。

Microchip可为您提供哪些帮助?

Microchip通过其当地和全球销售团队为电源转换应用提供

如下产品和资源:

■ 8位、16位和32位单片机以及16位数字信号控制器

■ 上桥臂、下桥臂和同步MOSFET栅极驱动器

■ 温度传感器、风扇控制器、数字电位器和运放

■ 包含外部控制输入的模拟PWM控制器

■ 高电压线性稳压器和高电压接口产品

■ 串行EEPROM存储器产品

■ 电源转换开发工具、参考设计、算法和软件

■ 电源转换培训和技术支持

 

Microchip提供了电源转换设计工程师所需的一切:低风险产品开发、更低的系统总成本、更快的产品上市时间、出色的技术支持以及可靠的产品交付和卓越的质量。智能电源无需复杂的设计或昂贵的成本。Microchip提供了6引脚至144引脚的MCU和DSC,可为所有应用提供适当的芯片解决方案。可使用包含基本外设的低成本MCU来实现许多简单任务。对于有更高要求的应用,我们提供的许多MCU和DSC具有专为电源转换而设计的创新型片上外设。这些外设包括具有特殊工作模式的快速PWM模块和用于快速采集电源反馈信号的高速模数转换器(ADC)。

第1级:开/关控制

在第1级,电子智能增强了标准模拟设计。智能功能提供了有限的开/关控制功能,如启动时序控制、自动关断和看门狗故障检测功能。这些功能用于管理模拟PWM控制器或集成稳压器,如MIC2125控制器或MIC45208电源模块。在基本级别,MCU可以开关使能引脚,以及从模拟电源控制器读取电源正常信号。而更成熟的解决方案还可提供记录功能(以备将来故障分析之用)、远程通信和定制温度控制算法。应用了第1级智能之后,可确保电源对系统故障事件做出确定性响应。该级别的解决方案适合采用Microchip的低档和中档MCU以及模拟产品。

现在您只需对硬件进行极少修改,只需较少的软件更改就可轻松实现现有模拟电源的智能化。Microchip具有内置外设(如ADC、PWM和GPIO)的PIC10F和PIC12F 8位低引脚数、小封装单片机可控制电源的输出时序并监视输入/输出电压、电流和温度,从而可实现现有模拟电源的智能化。

第2级:比例控制

此集成级别在标准模拟设计中添加了其他数字控制。除了第1级中的控制功能外,该集成级别还可以控制输出电压、电压限制、电流限制和温度限制。可对模拟电源的大部分工作参数进行数字控制和监视。可编程不同的软启动特性和电流限制值以满足应用的需要。对输出电压进行微调以协调系统中的多个电源。根据系统I/O要求,PIC12、PIC16和PIC18器件系列的8位解决方案可提供理想的控制解决方案。在较大的系统中,16位PIC24器件系列可提供更多的通信外设。这些需要与灵活的模拟PWM控制器相匹配,以便控制PWM操作。诸如MCP1631或MIC2155之类的器件具有外部频率同步、外部参考电压和类似

的外部可控输入,使PIC单片机能够进行更多的控制。

第2级的控制系统能更好地与电源集成,更好地监视电源环境。采用ADC来监视电源的输入和输出。还可使用片上比较器来确保对系统事件或故障的快速响应。PWM外设提供对电源单元的模拟PWM电路的直接控制。使用PWM控制在上电条件下对模拟电源进行门控以提供软启动功能。MCU可监视软启动期间的电源输入电流以确保元器件不过流。串行通信外设允许协调与主机器件的互操作、控制和监视散热风扇,以及监视温度传感器。

第3级:拓扑控制

除了具有第1级和第2级的功能之外,此级别还可以重新配置标准模拟设计。在设计的可配置数字部分中,可以更改模拟环路的配置并在多个模拟控制环滤波器之间进行切换。例如,在轻负载时,电源可从PWM控制环切换为滞后控制环。这种切换可以使连续电感电流设计在选定条件下在不连续导通模式下工作,从而提高系统效率。此外,还可通过动态调整开关频率来最大程度地降低功耗。Microchip MCU和DSC的整个产品线都可用于第3级的控制应用。特别是,混合信号解决方案(如PIC16F176X和PIC16F177X产品系列)非常适合于最多4个独立电源通道的拓扑控制。这些系列集成了具有智能模拟功能和独立于内核的外设(CIP)的MCU,这些外设可以相互连接,构造用于驱动和控制开关电源(SMPS)的反馈环路。此外,MCP1630和MCP1631 PWM控制器是为MCU电源控制器应用而设计的。另外,Microchip的数字增强型电源模拟控制器MCP19XXX)将微调模拟控制环和监控单片机整合到了单个器件中。

例如,由于片上具有独立于内核的外设和智能模拟功能,PIC16F1765可用于第3级应用。这些外设可以在最低限度内核干预的情况下自主执行功能,可以通过改变系统性能来实现更快的响应速度,从而释放内核来执行其他任务。可以通过外设的寄存器来动态控制拓扑,基于来自输入电压、输出电压或电流的反馈在降压、直通和升压稳压器之间进行切换。

MCP19119数字增强型电源模拟控制器整合了PIC中档单片机内核与高电压模拟PWM控制环的功能。该器件包含了可配置大多数电源工作点(频率、死区、输出电压、电流限制、过压和欠压锁定)的数字寄存器。单片机可以基于电源操作、数字输入或通过片上ADC测量的外部环境变量来动态调整控制环的操作。在进行正确校准后,这就是一种所需器件数最少、极其精确而灵活的智能电源解决方案。

 

迁移到更高级别:第4级——全数字控制

全数字控制取代了标准模拟控制环设计,还提供了集成级别1-3的电源管理功能。电源稳压功能可由处理器上的数字电路和处理器上运行的软件直接控制。全数字解决方案允许设计人员采用模拟解决方案中不可能实现的技术,包括专有的数字补偿算法和非线性预测性自适应控制技术。全数字解决方案使您能够定制对电源输入变化或负载变化事件的响应。Microchip的16位dsPIC DSC可实现第4级的解决方案。使用高速/高带宽ADC来获取电源的反馈。使用专门的高速PWM外设来控制电源。PWM模块可直接驱动所有常见的电源拓扑且CPU内核允许快速执行数字补偿算法。功率因数校正(PFC)在大功率电源中至关重要,它可降低谐波含量、系统功耗和辐射干扰。在下面的示例中,dsPIC DSC使用平均电流模式控制简化了升压式PFC算法的实现。可通过计算整流后的输入电压、电压误差补偿器的输出和电压前馈补偿器的输出三者

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