電源繼續(xù)提供新功能，以提高要求苛刻的通信、工業(yè)和醫(yī)療應用的效率、安全性和可管理性。MCU 越來越成為這些智能電源中的關鍵元件，并實現(xiàn)了廣泛的控制、傳感和管理功能。了解一些更高級的 MCU 硬件特性以及它們簡化智能電源設計的方式，對于任何使用嵌入式系統(tǒng)的硬件設計人員來說都是有用的。

　　本文將說明嵌入式設計人員可用于解決智??能電源要求的幾個關鍵 MCU 功能。在啟動條件下控制電源是一項明顯的要求，但傳感、記錄和通信電源操作可能是 MCU 功能最適用的領域。

　　可靠性、安全性和效率

　　如今，可靠性、安全性和效率是大多數(shù)電源子系統(tǒng)的主要客戶關注點。然而，這些要求往往與低成本、小板空間和易于設計的傳統(tǒng)考慮相沖突。使用先進的 MCU 作為智能電源設計的控制器有助于減輕其中一些沖突，從而創(chuàng)建更優(yōu)化的設計?，F(xiàn)代 MCU 在小板空間中包含重要功能，成本很低，并且參考設計、代碼示例和開發(fā)平臺的可用性極大地簡化了實施。

　　通常 MCU 需要一些外部支持設備來完成設計。找到正確的 MCU 和正確的外部設備的正確組合是高效實施的關鍵?？焖贋g覽一些重要的片上 MCU 功能和一些與 MCU 有效配對的常見外部設備，將有助于指導您選擇自己的設備，以便根據(jù)您的自定義要求高效實施。

　　有助于將 MCU 定位為高效電源控制器的最重要趨勢之一是電源應用中標準接口的開發(fā)。例如，作為 MCU 外圍設備的行業(yè)標準的 I 2 C 和 SPI 總線的發(fā)展使得“構建”通用子系統(tǒng)和利用標準驅動程序和更高級別的軟件功能變得容易。閃存、模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、溫度、電壓和電流傳感器都可以共享公共 SPI 或 I 2 C 總線，從而減少引腳數(shù)要求并簡化軟件設計。

　　電源管理總線或 PMBus 是另一種行業(yè)標準串行接口，在開發(fā)時考慮了電源控制。該總線基于 I 2 C 標準，但包含一些特定功能，可簡化與常用電源元件的通信，例如測量的電流電平、電壓電平、溫度和風扇速度。該總線支持 DC/DC 控制器、調節(jié)器和接口設備的開發(fā)，極大地提高了基于 MCU 的電源子系統(tǒng)的潛在智能。一些凌力爾特公司面向 PMBus 的 DC/DC 控制器和穩(wěn)壓器（例如LTC3883）的示例如下圖 1 所示。

　　圖 1：凌力爾特 PMBus 框圖。（由凌力爾特提供）

　　除了各種 DC/DC 控制器和穩(wěn)壓器，Linear 還擁有 DC1613 PMBus 控制器，如圖 1 的左上角所示。該接口可直接插入筆記本電腦和 SMBus 連接器。當與 LTC 提供的 LTPowerPlay 軟件結合使用時，該部件可用于快速測試和配置 PMBus 器件以加速系統(tǒng)開發(fā)。LTC 還提供評估套件DC1778A，可用于探索基于 PMBus 的 DC/DC 控制器（如 LTC3883）的使用。

　　大多數(shù)現(xiàn)代 MCU 直接支持 PMBus 標準，這使得實現(xiàn)高級電源子系統(tǒng)所需的智能變得容易。例如，NXP LPC11xx MCU有一個可以實現(xiàn) PMBus 的串行外設控制器，應用筆記1解釋了如何實現(xiàn) PMBus 軟件堆棧。尋找可簡化代碼開發(fā)的這些類型的資源——它們對于加速基于 MCU 的實施非常寶貴。

　　除了片上 PMBus 支持之外，其他一些常見的電源要求可以幫助您選擇 MCU 控制器。通常脈寬調制或 PWM 技術用于控制智能電源設計中的電壓和/或電流。例如，為電流控制 MOSFET 開關的“導通時間”設置占空比通常使用具有 PWM 功能的定時器外設完成，因此 MCU 無需花費大量 CPU 周期來管理 MOSFET 控制輸出。一些 MCU 具有片上模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器，可用于感測溫度和控制模擬外設的電壓。當需要數(shù)據(jù)記錄以跟蹤電源子系統(tǒng)性能時，在片上快速存儲非易失性數(shù)據(jù)的能力是另一個有用的功能。瑞薩電子 圖 2 所示的RL78 MCU是現(xiàn)代 MCU 的一個示例，具有迄今為止確定的許多片上功能。具有 PWM 功能的大量定時器、片上數(shù)據(jù)閃存、模數(shù)轉換器和支持 PMBus 的串行接口都可以在智能電源設計中發(fā)揮優(yōu)勢。

　　圖 2：瑞薩電子 RL78 MCU 框圖。（瑞薩電子提供）

　　瑞薩電子還提供了應用說明和示例代碼，說明了如何為 RL78/I1A 實現(xiàn) PMBus。示例代碼顯示了如何在 I 2 C 串行接口上??支持 PMBus 發(fā)送/接收。該代碼以 C 語言提供，示例使用 Renesas CubeSuite+ IDE。

　　外部設備支持

　　通常，MCU 無法提供實現(xiàn)電源子系統(tǒng)所需的所有功能。例如，用于打開和關閉所需大電流的外部大功率 MOSFET 器件最有效地實現(xiàn)為獨立器件。在片上集成這些設備通常比使用專用設備成本更高，因此您通常會在設計中使用至少幾個外部 MOSFET 或 IGBT，也許還有專門的驅動器。一些 MOSFET 驅動器在片上集成了控制和監(jiān)控邏輯，這可以使設計更容易和更智能。例如，STMicroelectronics PM8834是一款雙低壓側驅動器，適用于對 MOSFET 或 IGBT 等大容性負載進行充電和放電。PM8834 的框圖如下圖 3 所示。

　　圖 3：意法半導體 PM8834 框圖。（意法半導體提供）

　　使能引腳可以在錯誤條件下輕松覆蓋 PWM 控制輸入，從而提高安全性和可靠性。此外，框圖中間的 UVLO 模塊有助于控制驅動器的斜升（它使驅動器保持關閉，直到達到 UVLO 閾值）。對于高于 UVLO 閾值 （UVLOVCC） 的V CC電壓，PWM 輸入保持對驅動器操作的控制，前提是相應的使能引腳處于活動狀態(tài)。PWM_1 和 PWM_2 均在內部下拉，因此，如果懸空，則相應的輸出引腳會放電。像這些簡單但有用的功能可以簡化編碼，還可以提高設計的可靠性和安全性。

　　在一些較大的交流電源子系統(tǒng)中，接近單位的功率因數(shù)（流向負載的實際功率與電路中的視在功率之比）是提高功率傳輸效率的要求。功率因數(shù)校正可用于“塑造”控制子系統(tǒng)內的電流和電壓波形，以提高電源子系統(tǒng)的整體功率因數(shù)。這樣做的方法很復雜，但可以在具有足夠處理能力的 MCU 中實現(xiàn)。然而，一個有吸引力的替代方案是使用實現(xiàn)功率因數(shù)校正的專用外部設備。ADI 公司的ADP1047如下圖 4 所示，它使用傳統(tǒng)的升壓功率因數(shù)校正技術提供浪涌電流控制，該技術將輸出電壓反饋與輸入電流和電壓相結合。這提供了最佳的諧波校正并提供了改進的系統(tǒng)功率因數(shù)。

　　圖 4：Analog Devices ADP1047 框圖。（由模擬設備公司提供）

　　多個狀態(tài)輸出可用作外部信號，以在操作偏離標稱值時快速指示。所有關鍵參數(shù)也可以通過 PMBus 接口報告和調整，從而可以輕松地將設備包含在基于 MCU 的設計中。ADP1047 還提供輸入電壓、電流和功率的精確 rms 測量，從而為設計增加顯著的智能性成為可能。使用專用設備可能會增加所需的材料清單，但增加的功能無需學習和實施不熟悉的控制算法，可以節(jié)省數(shù)月的開發(fā)時間——這是許多項目的關鍵優(yōu)勢。

　　結論

　　片上 MCU 功能和外部設備的精確組合與其說是科學，不如說是一門藝術，但了解這些權衡是高效設計的核心是一個很好的起點。確保您及時了解針對電源設計的新 MCU 功能以及為復雜算法添加功能和簡化軟件開發(fā)的新外部設備。示例代碼、參考設計和開發(fā)板都應包含在任何高效的電源子系統(tǒng)設計中。