簡介

在許多系統(tǒng)中，使用單片機(jī)來控制多個(gè)負(fù)載點(diǎn)（POL）直流/直流轉(zhuǎn)換器，從而構(gòu)成混合控制系統(tǒng)以管理系統(tǒng)啟動行為、監(jiān)視電氣參數(shù)并管理外設(shè)子系統(tǒng)的功耗。不過，最復(fù)雜的解決方案可在計(jì)算機(jī)主板、圖形卡或服務(wù)器的CPU刀片上找到，其中穩(wěn)壓器模塊（VRM）直接與其負(fù)載通信來調(diào)整電源電壓，并且/或者甚至調(diào)整其控制特性來適應(yīng)臨時(shí)的工作條件。這種“智能”電源轉(zhuǎn)換管理和控制在總體系統(tǒng)效率、性能和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢——簡而言之：是工業(yè)、醫(yī)療、汽車以及消費(fèi)類細(xì)分市場的首選解決方案。

主體部分

最近十年來，Microchip Technology Inc專注于所謂的智能電源轉(zhuǎn)換（IPC/SPC）應(yīng)用，為各種各樣的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用帶來了更多特性和增強(qiáng)功能。一直以來的一個(gè)主要焦點(diǎn)是，采用基于DSP的高性能單片機(jī)（帶有高專用性的高速高分辨率外設(shè)）以及用于混合控制系統(tǒng)（將單片機(jī)與全模擬控制環(huán)結(jié)合在一起）的專用控制器系列對電源轉(zhuǎn)換器/逆變器進(jìn)行全數(shù)字控制。更深入地研究特定解決方案后，顯然可以發(fā)現(xiàn)，基于模擬的混合控制系統(tǒng)不是100%模擬，全數(shù)字解決方案也不是100%數(shù)字。這兩種解決方案都迫切需要模擬和數(shù)字的替代方案來克服特定限制，從而針對特定的目標(biāo)應(yīng)用具有特定優(yōu)勢。最新的智能電源轉(zhuǎn)換控制器產(chǎn)品系列MCP191xx面向?qū)Ｓ秒娫崔D(zhuǎn)換器拓?fù)浜蛻?yīng)用，它標(biāo)志著電源轉(zhuǎn)換器的智能化取得了新的技術(shù)進(jìn)步。

該產(chǎn)品系列的首個(gè)成員MCP19111將高性能模擬同步降壓轉(zhuǎn)換控制器和8位MCU合并為單片IC，從而提供增強(qiáng)、靈活的配置、控制和監(jiān)視功能，同時(shí)允許集成標(biāo)準(zhǔn)化或?qū)Ｓ型ㄐ牛栽诟呒壍?a target="_blank">電源管理結(jié)構(gòu)中安排多個(gè)轉(zhuǎn)換器。與其他現(xiàn)有的混合POL控制器不同，MCP19111可完全采用C語言編程。這一優(yōu)勢提供了充分的靈活性，從而可調(diào)整器件以滿足不同的應(yīng)用要求，適應(yīng)特定的工作條件以及實(shí)現(xiàn)通用的監(jiān)視任務(wù)和定制功能。該器件具有4.5V至32V的直流寬輸入電壓范圍、低至0.5V的輸出電壓，以及最高支持2A拉電流/4A灌電流的驅(qū)動器，因而可支持各種應(yīng)用。

數(shù)字增強(qiáng)功能

數(shù)字控制器和模擬開關(guān)穩(wěn)壓器在同一芯片上可以使模擬功能與數(shù)字控制緊密融合，從而允許在運(yùn)行時(shí)直接操縱補(bǔ)償電路、開關(guān)頻率、死區(qū)控制、系統(tǒng)級閾值以及許多其他功能。此外，由于MCU本身采用模擬開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)進(jìn)行封裝，因而無需額外的輔助電源或外部MOSFET驅(qū)動器。圖1給出了MCP19111數(shù)字增強(qiáng)型電源模擬控制器的高階框圖以及一個(gè)典型應(yīng)用電路。模擬開關(guān)穩(wěn)壓器部分完全涵蓋了模擬控制環(huán)的所有元件（包括MOSFET驅(qū)動器），還包含MCU的輔助電源。數(shù)字部分由8位PIC12F中檔MCU內(nèi)核、8 KB的閃存以及256字節(jié)的RAM組成。此外，它還提供了多達(dá)15個(gè)GPIO（其中8個(gè)為附加模擬輸入）、1個(gè)基于I？CTM/SMbus的串行通信接口、外部中斷以及3個(gè)自由定時(shí)器。許多內(nèi)部信號（如輸入電壓、輸出電壓或電感電流）可直接在片上進(jìn)行監(jiān)視，無需外部傳感。數(shù)字實(shí)現(xiàn)甚至允許讀取電流占空比，這在目前還是一項(xiàng)非常有用的功能，但由于許多技術(shù)原因，僅供全數(shù)字控制器使用。

效率最大化

除了增強(qiáng)的監(jiān)視功能，數(shù)字內(nèi)核的單片集成電路還允許直接訪問許多參數(shù)，這些參數(shù)通常在硬件中固定或無法在硅片中訪問。最值得注意的是可調(diào)死區(qū)、可編程補(bǔ)償器、內(nèi)部反饋校準(zhǔn)、可編程保護(hù)閾值，以及在運(yùn)行時(shí)于電流與電壓模式控制之間進(jìn)行切換的能力。

可調(diào)死區(qū)

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，上橋臂開關(guān)與下橋臂開關(guān)之間的死區(qū)設(shè)置對系統(tǒng)總效率有顯著影響。如果模擬控制器完全不提供任何可調(diào)死區(qū)設(shè)置，那么設(shè)計(jì)人員必須參考某種考慮到最高溫度和負(fù)載條件的最壞情況（死區(qū)通常需要設(shè)置為最大值），并將此值“編程”到硬件中，例如通過放置電容和/或電阻。這必然會增大內(nèi)核與二極管的損耗，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器很可能永遠(yuǎn)不會置于這些假定的最壞情況下。

一個(gè)適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案是自動調(diào)整死區(qū)以適應(yīng)特定負(fù)載和溫度條件。遺憾的是，使用板上過零檢測器始終以最佳死區(qū)來驅(qū)動開關(guān)會存在某些嚴(yán)重限制，原因有二。首先，各種模擬過零檢測器均基于比較器。最快（經(jīng)濟(jì)實(shí)惠）的模擬比較器的典型傳播延時(shí)為15-20 ns，其結(jié)果如圖3所示，傳播過慢而無法達(dá)到最佳級別。其次，此過零檢測器必須工作在半橋的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，此處存在高頻開關(guān)噪聲需要濾波，這會進(jìn)一步降低觸發(fā)速度，最終導(dǎo)致此功能失效。

但是，模擬領(lǐng)域無法解決的問題，在數(shù)字領(lǐng)域會找到解決方案。實(shí)現(xiàn)此最優(yōu)化的最常見技術(shù)是，監(jiān)視并分析轉(zhuǎn)換器的外部條件直至其達(dá)到穩(wěn)定為止。只要檢測到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，就會修改死區(qū)并監(jiān)視上橋臂開關(guān)的占空比。此恒壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)的原理是，在穩(wěn)態(tài)條件下，上橋臂開關(guān)的最短相對導(dǎo)通時(shí)間決定了最高效率點(diǎn)，因?yàn)樵谶@一點(diǎn)只需從總線汲取最少的功率即可提供一定的恒定輸出功率（見圖2）。

圖3給出了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間在定義的死區(qū)設(shè)置范圍內(nèi)單次掃描的結(jié)果，該結(jié)果在測試臺上測得。綠線顯示了應(yīng)用于上橋臂開關(guān)上升沿的死區(qū)（DTR）。紅色曲線給出了不同死區(qū)設(shè)置下的上橋臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的發(fā)展趨勢，黑色虛線顯示了其3階近似曲線。

給定的死區(qū)掃描范圍通過描述系統(tǒng)特性以及定義最好情況（最短死區(qū)）和最壞情況（最長死區(qū)）來確定。掃描在90%負(fù)載（Vin = 12V，Vout = 3.3V，Iout = 9A）條件下以最高分辨率4 ns進(jìn)行。在圖的左側(cè)，占空比的起始值約為1.394 ？s，并且只要死區(qū)增大，占空比就會迅速降低。在此區(qū)域中，上橋臂開關(guān)與下橋臂開關(guān)已顯示出有所重疊，并且從輸入汲取的一些功率直接短路至地。

在死區(qū)約為25 ns時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到最小值1.384 ？s，之后隨死區(qū)的進(jìn)一步增大而再次上升。在非可調(diào)設(shè)計(jì)中，死區(qū)已針對所使用的開關(guān)調(diào)整到至少70 ns，因此這種運(yùn)行條件下的典型導(dǎo)通時(shí)間為1.395 ？s。根據(jù)圖2中的公式III，原始上橋臂導(dǎo)通時(shí)間與最優(yōu)上橋臂導(dǎo)通時(shí)間的差異為11 ns。初看之下，這種差異似乎不大，但從高頻轉(zhuǎn)換器的角度看，該差異代表了約0.9%的效率提升，相當(dāng)于總效率從大約92%升至93%。

可調(diào)開關(guān)頻率和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

另一個(gè)非常好的功能是能夠通過軟件調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)頻率。這不僅簡化了設(shè)置配置期間的基本調(diào)整，還允許在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)整。迄今為止，這仍然是全數(shù)字控制器尚未取得突破的核心領(lǐng)域。在硬開關(guān)拓?fù)洌ㄈ缤浇祲恨D(zhuǎn)換器）中，大部分功耗主要來自開關(guān)損耗。要提高效率（尤其是輕載條件下），降低開關(guān)頻率可對提高轉(zhuǎn)換器的總體效率有顯著幫助。但是，當(dāng)降低開關(guān)頻率時(shí)，如果硬件中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)固定，通常增益會開始下降，并可能導(dǎo)致增益裕量和相位裕量損失。為補(bǔ)償這種效應(yīng)，需要調(diào)整系統(tǒng)的增益。MCP19111提供了多個(gè)寄存器，用于調(diào)整PWM發(fā)生器的斜坡電壓、零點(diǎn)頻率（原點(diǎn)處的諧振頻率，定義第一個(gè)極點(diǎn)）、總增益、斜率增益以及斜率本身。此外，還有寄存器組用于調(diào)整放大器失調(diào)和電流檢測增益。雖然此技術(shù)可能需要冗長的系統(tǒng)特性化過程，但有很大幾率可顯著提升效率和穩(wěn)定性。

極輕負(fù)載效率優(yōu)化

在異步降壓轉(zhuǎn)換器中，續(xù)流二極管中的功耗通過正向壓降乘以電流確定。由于二極管兩端永久存在較大的正向壓降并且無法最小化，因此通常使用一個(gè)正向壓降低很多的附加開關(guān)來旁路/替代二極管，最終構(gòu)成一個(gè)同步整流器。此技術(shù)常用于負(fù)載電流超過1A的情況。但是，在輕載條件下，如果有非常少的電流流經(jīng)下橋臂開關(guān)，則驅(qū)動其柵極所需的功率會超出使用開關(guān)旁路續(xù)流二極管所節(jié)省的功率。為了在此特殊情況下進(jìn)一步提高效率，MCP19111提供了所謂的二極管仿真模式，使能此模式時(shí)將關(guān)斷下橋臂驅(qū)動器。禁止驅(qū)動器之后，柵極將不再偏置，并且MOSFET的內(nèi)部二極管將成為整流器，從而最大程度降低功耗。

使用Microchip全新的功率MOSFET系列MCP870xx可對上述用于將部分功耗降至最低和提高系統(tǒng)總效率的措施提供額外支持。此系列快速功率MOSFET具有低RDS（on）和均衡的品質(zhì)因數(shù)（FOM），可提供一系列不同的導(dǎo)通電阻與柵極總電荷（QT）組合來優(yōu)化半橋的總FOM。下橋臂開關(guān)的QT越高，MCP19111的二極管仿真模式越有效。

優(yōu)化空載操作

MCP19111是電流模式控制器，在正常工作期間可提供最佳性能。但是，電流模式控制器需要至少有一些電流流過才能正常工作。當(dāng)負(fù)載切換至低功耗待機(jī)操作時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出仍必須提供標(biāo)稱輸出電壓，但輸出功率可能幾乎為零。通常，電流模式控制器會切換至輸出紋波較高的某種間斷（hick-up）模式或脈沖頻率模式（PFM）操作，這會超出線路穩(wěn)壓容限并且還經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI問題。要克服典型電流模式控制器的這一限制，可通過禁止電流環(huán)來將MCP19111切換至偽電壓模式控制，從而改善輸出電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

可用性和工具鏈

MCP19111的一系列增強(qiáng)功能提供了大量用于配置和優(yōu)化系統(tǒng)的選項(xiàng)。MCU開放的可編程性增加了更多的自由度。因此，Microchip提供了如圖4所示的圖形用戶界面（GUI），用戶無需編寫代碼即可進(jìn)行特定調(diào)整和配置。此GUI與開源固件配合使用，可以對該固件進(jìn)行修改并將其用作模板來開發(fā)各種更高級的功能。

除了配置接口，Microchip還提供了另一個(gè)GUI用于測試目的，使用戶可通過PMbusTM協(xié)議直接與器件通信（見圖5）。此GUI與Microchip的PICkitTM串行分析器（部件編號DV164122）配合使用，該分析器是通用的低成本USB轉(zhuǎn)UART/SPI/I？C接口，可在工作期間直接用于監(jiān)視和調(diào)試器件。

總結(jié)

雖然大多數(shù)技術(shù)已為人所知，并且某些功能還可在現(xiàn)有器件中找到，但MCP19111系列器件仍開啟了智能開關(guān)穩(wěn)壓器的歷史新篇章。大量專用功能連同自由的可編程性，凸顯了其強(qiáng)大之處。在智能電源控制器領(lǐng)域，MCP19111將模擬與數(shù)字控制方案緊密融合在一起，并使所有功能都可被工程師使用和訪問來消除現(xiàn)有限制，從而為創(chuàng)新、高效且可靠的高性能POL轉(zhuǎn)換器奠定了基礎(chǔ)。