單片機在電源設計中的應用

電源設計人員經常面臨種種互相對立的要求。一方面要縮小體積、降低成本,另一方面又要提供更多功能并提高輸出功率。受原理上的限制,模擬電源本身的功能有限,而模擬電源控制器的設計更是越來越復雜。由于這一原因,有些設計人員轉向了純數字電源設計。然而,對于許多設計人員來說,如此快速地轉向不熟悉的領域并不容易。比較可行的一種折衷方法是采用傳統模擬電源,但增加數字單片機做為前端。

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??? 這種設計的優點在于電源本身的控制仍然使用模擬技術來實現。因此電源設計人員不需要從頭重新開始全數字設計就可以為現有設計增加新的功能。采用這種方法,設計中仍然使用熟悉的誤差放大器、電流檢測以及電壓檢測電路。當然,盡管有些設計單元（如補償網絡）仍然采用分立器件實現,但其余部分則由單片機來控制。

??? 單片機能夠帶來的功能可分為四類：控制、監測、判斷性功能及通信。下面我們將詳細討論這幾類功能。

??? 第一類控制功能與單片機和電源之間的硬件接口有關。在模擬設計中,非常重要的是要為連接單片機留有接口。有些電源控制器在內部生成控制信號（如參考電壓）。這樣的控制器為單片機提供的外部連接點很少。Microchip公司MCP1630電源控制器在設計上為單片機提供了豐富的連接點。就本文來說,我們假定電源控制器提供兩個控制點--關斷輸入以及設置參考電壓的能力,如圖1所示。盡管這樣兩個連接點看起來并不多,但已經能夠提供功能非常強大的控制功能和復雜功能。?

??? 目前,單片機在許多電源設計中的作用主要是監測。許多單片機都有片上模數轉換器（ADC）和模擬比較器。因此,單片機在監測輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電壓和溫度等信號方面是理想之選。

??? 單片機能夠監測范圍如此廣泛的信號,就可以完成更多功能,如智能故障檢測。單片機的多功能源于其可編程能力,可以方便地進行定制來滿足設計要求。這樣,對于故障情況就可以分類進行處理。短暫的過流以及其他非關鍵故障可能只需要設置一個標志就可以了。而過熱這樣的故障則可能需要關閉電源,直到故障排除。需要重新啟動電源的故障也可以進行更嚴格的控制。在某個時間段內如果有太多的故障,單片機就可以永久關斷電源。

??? 單片機強大的處理能力還可以實現復雜的計算測量,如功率的實時計算。在模擬系統中確定功率值需要進行復雜的模擬計算。但對于單片機來說,只是小事一樁。輸入功率、輸出功率、效率以及功率損失等參數都可以計算。

??? 最后,單片機的監測功能還可以支持更高級功能,如故障預測。將工作電流實時與歷史數據進行比較,電源設計人員便可判斷導致電源故障的條件。電源本身具備預測自己故障的能力可以節約成本并提供更高的可靠性。

??? 監測數據并不僅僅是為了故障檢測。根據這些數據還可采取許多其他操作。這些任務就歸入判斷性功能的范疇。判斷性功能允許電源設計人員為設計增加更大的靈活性、更多功能和保護能力。讓我們來考慮一下軟啟動或欠壓鎖定的情況。利用單片機來完成這些任務,鎖定電壓和軟啟動斜坡速率都是可編程的,并且不依賴于模擬器件。

??? 判斷性功能還可以執行更復雜的任務。比如上電順序。可以編程讓電源監測另一個電壓,直到被監測的電壓達到設定值時再啟動?？赡苓€會有這樣的情況,兩個電壓必須成比例上升,或者彼此跟隨變化。所有這些功能只需修改軟件就可以實現,而不必對硬件作更改。

??? 判斷性功能的另一種可能應用是根據溫度來調整電流限制。這樣電源設計人員可以利用器件的溫度降額參數來保證可靠運行。

??? 利用判斷性功能還可以實現器件補償,從而提高其精度。許多數據手冊都給出了參數隨溫度的變化情況。這種情況下,單片機可以用來實現溫度補償。這樣,設計人員可以使用成本更低的器件,并根據溫度對結果進行補償。Microchip應用筆記AN1001(DS01001)就描述了如何通過補償利用一個±6℃的溫度傳感器來實現±0.1℃的溫度傳感精度。

??? 單片機的判斷性功能還可以用于自校準電源,使其在輸出端提供已知的電壓,輸出電壓通過電壓反饋電路進行檢測并存儲。采用這種方法,可以消除電壓反饋電阻的任何誤差,從而可以使用低成本電阻,卻不會影響精度。而且,5V和3.3V電源的硬件都是一樣的,不同的僅僅是校正過程。

??? 此處列舉的僅是單片機判斷性功能應用的一部分例子。舉出這些例子僅僅是為了展示單片機的強大功能。由此可知,大量電源參數都可以通過小型廉價的單片機進行監測和控制。但我們還沒有討論信息的存儲和獲取。這也正體現了電源通信的重要性。

??? 有多種電源通信的方式,從最簡單的跳線或開關設置,直到復雜協議（如以太網）。簡單的通信方式可用于設置參數,如輸出電壓或工作模式。較復雜的協議則可支持對電源進行更復雜更全面的控制和監測。

??? 真正的價值則在于遠程通信。對于位于遠程的電信和服務器電源,這一點極為重要。這一遠程監控能力還允許操作員提高系統的可靠性。

??? 此外,遠程通信還允許操作員根據預計的負載情況調整電壓和電流限制。與此同時,使用冗余電源可進一步提高可靠性和正常工作時間。一旦電源接收到表示故障發生的信號,就可以通知操作員,關斷故障電源并激活備用電源。這一過程也可以進行自動化操作,出現故障的電源可以根據設定的條件自動激活并切換到備用電源。

??? 電源通信并不僅僅用于監測和設置工作參數。許多單片機都有片上EEPROM來存儲生產信息等數據。一旦器件故障發生,設備操作員可容易地判斷影響到哪些電源。同時,還可以存儲維修歷史。這樣就可以保證電源的生產數據、維修歷史以及運行信息始終都在手邊,保存最新信息。

??? 對于前面列出的可利用單片機實現的豐富任務,目前普遍存在一種誤解。設計人員可能認為這些任務必須使用高端單片機或數字信號處理器才能實現。實際上,本文中所描述的所有任務都可以方便地利用低成本8位單片機實現。此外,采用單片機的這種設計并非是要取代現有模擬功能,而是作為模擬系統的一種補充,為整個電源系統提供只有數字單片機才能提供的靈活性和處理能力。