嵌入式设计用于解决智​​能电源要求的MCU功能

　　电源继续提供新功能，以提高要求苛刻的通信、工业和医疗应用的效率、安全性和可管理性。MCU 越来越成为这些智能电源中的关键元件，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 硬件特性以及它们简化智能电源设计的方式，对于任何使用嵌入式系统的硬件设计人员来说都是有用的。

　　本文将说明嵌入式设计人员可用于解决智​​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项明显的要求，但传感、记录和通信电源 *** 作可能是 MCU 功能最适用的领域。

　　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的主要客户关注点。然而，这些要求往往与低成本、小板空间和易于设计的传统考虑相冲突。使用先进的 MCU 作为智能电源设计的控制器有助于减轻其中一些冲突，从而创建更优化的设计。现代 MCU 在小板空间中包含重要功能，成本很低，并且参考设计、代码示例和开发平台的可用性极大地简化了实施。

　　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。快速浏览一些重要的片上 MCU 功能和一些与 MCU 有效配对的常见外部设备，将有助于指导您选择自己的设备，以便根据您的自定义要求高效实施。

　　有助于将 MCU 定位为高效电源控制器的最重要趋势之一是电源应用中标准接口的开发。例如，作为 MCU 外围设备的行业标准的 I 2 C 和 SPI 总线的发展使得“构建”通用子系统和利用标准驱动程序和更高级别的软件功能变得容易。闪存、模数转换器、数模转换器、温度、电压和电流传感器都可以共享公共 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，但包含一些特定功能，可简化与常用电源元件的通信，例如测量的电流电平、电压电平、温度和风扇速度。该总线支持 DC/DC 控制器、调节器和接口设备的开发，极大地提高了基于 MCU 的电源子系统的潜在智能。一些凌力尔特公司面向 PMBus 的 DC/DC 控制器和稳压器（例如LTC3883）的示例如下图 1 所示。

　　图 1：凌力尔特 PMBus 框图。（由凌力尔特提供）

　　除了各种 DC/DC 控制器和稳压器，Linear 还拥有 DC1613 PMBus 控制器，如图 1 的左上角所示。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，该部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，这使得实现高级电源子系统所需的智能变得容易。例如，NXP 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。寻找可简化代码开发的这些类型的资源——它们对于加速基于 MCU 的实施非常宝贵。

　　除了片上 PMBus 支持之外，其他一些常见的电源要求可以帮助您选择 MCU 控制器。通常脉宽调制或 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，可用于感测温度和控制模拟外设的电压。当需要数据记录以跟踪电源子系统性能时，在片上快速存储非易失性数据的能力是另一个有用的功能。瑞萨电子 图 2 所示的RL78 MCU是现代 MCU 的一个示例，具有迄今为止确定的许多片上功能。具有 PWM 功能的大量定时器、片上数据闪存、模数转换器和支持 PMBus 的串行接口都可以在智能电源设计中发挥优势。

　　图 2：瑞萨电子 RL78 MCU 框图。（瑞萨电子提供）

　　瑞萨电子还提供了应用说明和示例代码，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 发送/接收。该代码以 C 语言提供，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，用于打开和关闭所需大电流的外部大功率 MOSFET 器件最有效地实现为独立器件。在片上集成这些设备通常比使用专用设备成本更高，因此您通常会在设计中使用至少几个外部 MOSFET 或 IGBT，也许还有专门的驱动器。一些 MOSFET 驱动器在片上集成了控制和监控逻辑，这可以使设计更容易和更智能。例如，STMicroelectronics PM8834是一款双低压侧驱动器，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：意法半导体 PM8834 框图。（意法半导体提供）

　　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，框图中间的 UVLO 模块有助于控制驱动器的斜升（它使驱动器保持关闭，直到达到 UVLO 阈值）。对于高于 UVLO 阈值 （UVLOVCC） 的V CC电压，PWM 输入保持对驱动器 *** 作的控制，前提是相应的使能引脚处于活动状态。PWM_1 和 PWM_2 均在内部下拉，因此，如果悬空，则相应的输出引脚会放电。像这些简单但有用的功能可以简化编码，还可以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，接近单位的功率因数（流向负载的实际功率与电路中的视在功率之比）是提高功率传输效率的要求。功率因数校正可用于“塑造”控制子系统内的电流和电压波形，以提高电源子系统的整体功率因数。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，一个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，它使用传统的升压功率因数校正技术提供浪涌电流控制，该技术将输出电压反馈与输入电流和电压相结合。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：Analog Devices ADP1047 框图。（由模拟设备公司提供）

　　多个状态输出可用作外部信号，以在 *** 作偏离标称值时快速指示。所有关键参数也可以通过 PMBus 接口报告和调整，从而可以轻松地将设备包含在基于 MCU 的设计中。ADP1047 还提供输入电压、电流和功率的精确 rms 测量，从而为设计增加显着的智能性成为可能。使用专用设备可能会增加所需的材料清单，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与其说是科学，不如说是一门艺术，但了解这些权衡是高效设计的核心是一个很好的起点。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高效的电源子系统设计中。