圖1:模擬電源的數(shù)字管理實(shí)現(xiàn)該方法比真正的數(shù)字控制回路更容易實(shí)現(xiàn),同時(shí)還具備數(shù)字電源的眾多優(yōu)勢(shì)。使用現(xiàn)代控制器時(shí),您會(huì)發(fā)現(xiàn)這些模塊集成在一個(gè)IC(例如MCP19119)中。
如何實(shí)現(xiàn)模擬電源的數(shù)字管理?
發(fā)布時(shí)間:2021-07-22 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用無(wú)處不在。小到使用升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)紐扣電池(電量逐漸減?。╇妷旱谋銛y式設(shè)備,大到進(jìn)行大量冗余AC-DC轉(zhuǎn)換的蜂窩基站:一切都需要電力。業(yè)界對(duì)數(shù)字電源的討論有很多;例如,將電源轉(zhuǎn)換移至軟件, 終用相應(yīng)軟件替代我們所有的電源硬件。現(xiàn)實(shí)情況要復(fù)雜得多,動(dòng)態(tài)性也要差得多。
電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用無(wú)處不在。小到使用升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)紐扣電池(電量逐漸減小)電壓的便攜式設(shè)備,大到進(jìn)行大量冗余AC-DC轉(zhuǎn)換的蜂窩基站:一切都需要電力。業(yè)界對(duì)數(shù)字電源的討論有很多;例如,將電源轉(zhuǎn)換移至軟件, 終用相應(yīng)軟件替代我們所有的電源硬件?,F(xiàn)實(shí)情況要復(fù)雜得多,動(dòng)態(tài)性也要差得多。大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換是(并將始終)在專用硬件中實(shí)現(xiàn)的。不過(guò),隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和數(shù)字配置控制器的功能越來(lái)越強(qiáng)大,對(duì)于精明的設(shè)計(jì)人員而言,可供其使用的選項(xiàng)和電源轉(zhuǎn)換功能也越來(lái)越多,更何況設(shè)計(jì)人員都不懼在固件編譯器方面挑戰(zhàn)一番。 的問(wèn)題是時(shí)機(jī);何時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加固件是值得的,何時(shí)使用傳統(tǒng)的模擬電源轉(zhuǎn)換更好?答案與其所涵蓋的電源轉(zhuǎn)換一樣,是不固定的。目前推動(dòng)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換投資的主要因素有四個(gè): 、可靠性、動(dòng)態(tài)負(fù)載管理和總擁有成本。
數(shù)據(jù) 功能是數(shù)字化電源的主要優(yōu)勢(shì)之一。在許多系統(tǒng)中,了解處理器負(fù)載電流、電池電壓或功率大小是有利的。這些信息可用于節(jié)制風(fēng)扇速度、管理系統(tǒng)冷卻或向用戶 狀態(tài)。在生成或獲取應(yīng)用程序時(shí),該功能可以向中央系統(tǒng) 本地發(fā)電情況,或在耗電情況下 所需電能——這兩種情況均可使總體系統(tǒng)更為高效。今天,幾乎所有的備用電池或電池電源都使用某種形式的電量計(jì)量。在高性能計(jì)算應(yīng)用中,用戶可能希望看到系統(tǒng)電壓恰好能夠使微處理器超頻,或者數(shù)據(jù)中心可能只是想要監(jiān)測(cè)其(實(shí)質(zhì))電源預(yù)算花費(fèi)在哪些方面。準(zhǔn)確的電壓 比較常見(jiàn),但準(zhǔn)確的電流或準(zhǔn)確的功率 則比較困難。后兩者均需要良好的測(cè)量電路,通常圍繞系統(tǒng)中某處的模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)建。此外,無(wú)論是采用I2C(TM)、SMBus(TM)、PMBus(TM)、智能電池、SPI還是任何其他方法(標(biāo)準(zhǔn)或?qū)S校?,都需?nbsp; 測(cè)量數(shù)據(jù)。這種測(cè)量和 需要數(shù)字電路,但實(shí)際上并不需要數(shù)字化的控制回路,因此可單獨(dú)實(shí)現(xiàn),即使用監(jiān)控電路(可能使用PIC12F18xx系列單片機(jī))來(lái)監(jiān)控模擬電壓轉(zhuǎn)換器。電壓轉(zhuǎn)換也可以在PIC? MCU的獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)(CIP)中完成,或者使用內(nèi)置MCU(例如MCP19xxx系列器件)的單片式模擬控制來(lái)完成。這些方法均可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字 ,而且不需要數(shù)字控制回路,這通??杉涌煜到y(tǒng)設(shè)計(jì)。有了此類系統(tǒng),為進(jìn)行 而添加一定級(jí)別的數(shù)字電路就變得很容易,并且可以圍繞模擬電源構(gòu)建。
圖1:模擬電源的數(shù)字管理實(shí)現(xiàn)該方法比真正的數(shù)字控制回路更容易實(shí)現(xiàn),同時(shí)還具備數(shù)字電源的眾多優(yōu)勢(shì)。使用現(xiàn)代控制器時(shí),您會(huì)發(fā)現(xiàn)這些模塊集成在一個(gè)IC(例如MCP19119)中。
可提高系統(tǒng)的可靠性。硬件現(xiàn)在可以監(jiān)視異常行為,并進(jìn)行通告,可在導(dǎo)致硬件故障之前檢測(cè)到問(wèn)題。這樣一來(lái),便可延長(zhǎng)數(shù)據(jù)中心等高可靠性系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間。此外,還可使用數(shù)字控制回路進(jìn)一步提高可靠性。模擬控制回路的補(bǔ)償取決于隨時(shí)間發(fā)生偏移的無(wú)源模擬組件。數(shù)字計(jì)算始終是相同的。不過(guò),更大的優(yōu)勢(shì)在于能夠處理故障和錯(cuò)誤。與純模擬控制電路相比,智能固件能夠采取更多措施來(lái)減輕或標(biāo)記有問(wèn)題的情況。更重要的是,它可以響應(yīng)這些錯(cuò)誤。這可能意味著切換到冗余電源,或通知系統(tǒng)操作員設(shè)備需要修理。在系統(tǒng)層面上,這可以顯著提高可靠性。
使用數(shù)字通信接口時(shí),應(yīng)用程序還能夠接收數(shù)字命令。這可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的負(fù)載管理。自適應(yīng)電壓調(diào)整、電壓裕度調(diào)整,甚至僅僅是復(fù)雜的負(fù)載都需要具備對(duì)電源操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的能力。這些可以通過(guò)PMBus標(biāo)準(zhǔn)或智能電池協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)化命令來(lái)實(shí)現(xiàn);也可以通過(guò)I2C或SPI接口的專有命令實(shí)現(xiàn)。也可以根據(jù)環(huán)境溫度、輸入電壓或負(fù)載功率變化等環(huán)境測(cè)量值進(jìn)行操作更改——無(wú)需任何外部通信。如果純模擬電源檢測(cè)到掉電并鎖定處理器電源,則數(shù)字控制器可能會(huì)降低輸出電壓,向處理器發(fā)出減慢速度的信號(hào),然后減速處理,直到輸入恢復(fù)(緩慢的響應(yīng)優(yōu)于無(wú)響應(yīng))。系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)調(diào)整工作頻率,提高各負(fù)載條件下的效率,同時(shí)仍保持固定頻率操作的優(yōu)勢(shì)。與數(shù)據(jù) 類似,這些都是數(shù)字電路的典型應(yīng)用,但是(取決于所需的確切性能變化)它們并不總是需要數(shù)字電源控制。例如,Microchip的MIC24045模擬電源控制器可以使用I2C接口進(jìn)行管理。除此之外,該器件可以動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓或電流限值以適應(yīng)不斷變化的要求。
終決定通常取決于能否能降低總擁有成本。如果因數(shù)字電源所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)降低的總擁有成本高于所增加的系統(tǒng)成本(就開(kāi)發(fā)時(shí)間和硬件而言),則數(shù)字電源明顯勝出。隨著數(shù)字控制變得越來(lái)越普遍,更優(yōu)異的設(shè)計(jì)工具使得數(shù)字控制設(shè)計(jì)變得越來(lái)越容易,數(shù)字控制變得越來(lái)越便宜和輕松。Microchip的軟件支持套件包括用于配置MCU的Microchip代碼配置器的圖形界面,以及用于生成代碼以仿真可輕松實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的極點(diǎn)-零點(diǎn)放置的數(shù)字電源控制工具。這減少了創(chuàng)建數(shù)字電源控制所需的投資,數(shù)字解決方案在越來(lái)越多的應(yīng)用中起到關(guān)鍵作用。與此同時(shí),隨著數(shù)字信號(hào)處理器速度的提高,瞬態(tài)響應(yīng)和操作變化也越來(lái)越快。通過(guò)不斷調(diào)整電源操作以適應(yīng)當(dāng)前的負(fù)載條件和溫度,數(shù)字電源可以在各種負(fù)載條件下保持較高的平均效率。這種效率優(yōu)勢(shì)直接轉(zhuǎn)化為發(fā)電應(yīng)用(例如太陽(yáng)能逆變器)的利潤(rùn),也可以降低耗電應(yīng)用(例如數(shù)據(jù)中心或基站)的開(kāi)銷成本。
圖2:模擬和數(shù)字控制回路實(shí)現(xiàn)對(duì)比(框圖層面)。如果電源滿足應(yīng)用需求,用戶始終不會(huì)了解其中的差別。
無(wú)論控制回路是模擬的還是數(shù)字的,只要其正常工作,用戶便不會(huì)了解其中的差別。如果應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不存在,則使用數(shù)字控制回路或數(shù)字化控制器可能是沒(méi)有意義的。在這些情況下,有許多模擬電源解決方案可以滿足電路更小巧、更易于實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用要求。電源模塊(包含硅控制器、功率MOSFET和磁性元件的集成封裝)正在提供振奮人心的集成選項(xiàng),幾乎完全省去了電源設(shè)計(jì)工作。例如,MIC45404模塊只需使用兩個(gè)外部電容即可執(zhí)行12V至3.3V的轉(zhuǎn)換,輸出電流高達(dá)5A。與數(shù)字電源解決方案相比,這是一種非常 的電源轉(zhuǎn)換,而所需的惟一設(shè)計(jì)工作是電路板布線。在許多應(yīng)用中,這種簡(jiǎn)單的方法將有助于產(chǎn)品更快上市,同時(shí)還能提供有效的DC-DC轉(zhuǎn)換。
能力越大,責(zé)任越大。與先前的模擬產(chǎn)品相比,數(shù)字控制回路,帶數(shù)字接口的混合PWM控制器或基于CIP的單片機(jī)解決方案均可以實(shí)現(xiàn)更多的配置。這為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性,但是它要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員花時(shí)間編寫(xiě)固件來(lái)配置相應(yīng)的附加參數(shù)。在許多情況下,結(jié)果是值得的——但模擬控制將始終是電源轉(zhuǎn)換的主要方案。
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