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專家解讀:如何實(shí)現(xiàn)電源智能化?

發(fā)布時(shí)間:2015-06-02 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】現(xiàn)在的世界已經(jīng)離不開電源,每一天電源的供應(yīng)量在全世界都是個(gè)驚人的數(shù)字,但是同時(shí)被浪費(fèi)的電源也是一個(gè)日益嚴(yán)重的問題。電源一旦實(shí)現(xiàn)智能化,或許會(huì)擺脫功耗量大,資源浪費(fèi)嚴(yán)重的局面。那么如何實(shí)現(xiàn)電源的智能化?

智能控制的電源

世界上有許多供電應(yīng)用,其中大部分只需要一個(gè)干凈的電流源或電壓源即可完成工作。在這些應(yīng)用中,越來越多的應(yīng)用需要通過某種智能算法來調(diào)整電壓或電流以改善性能、降低功耗或者實(shí)現(xiàn)某種新功能,從而使產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。其中一些應(yīng)用包括:

1) 用于太陽(yáng)能系統(tǒng)或能量采集的最大功率點(diǎn)追蹤。

2) 電池充電,尤其是一些較為奇特的化學(xué)物質(zhì)。

3) 具有調(diào)光或日光采集功能的LED照明。

4) 通過備用電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。

在每種應(yīng)用中,都會(huì)添加單片機(jī)來執(zhí)行某種程度的智能算法以便更有效地管理功率。其他功率系統(tǒng)只需要與人或其他系統(tǒng)交互的智能。這些系統(tǒng)包括PC主板上的SMbus功率元件,汽車內(nèi)基于LIN接口的照明系統(tǒng)或大型建筑中的以太網(wǎng)管理電源板。只需向現(xiàn)有產(chǎn)品添加通信功能,即可將產(chǎn)品的實(shí)用性和價(jià)值提高幾個(gè)等級(jí)或?qū)哟巍?br />
傳統(tǒng)智能電源

很多智能電源系統(tǒng)采用“蠻力”方法,即僅僅向現(xiàn)有電源系統(tǒng)添加一個(gè)MCU。這樣做的風(fēng)險(xiǎn)很低,因?yàn)楝F(xiàn)有系統(tǒng)能完成任務(wù)且已被充分理解。新的部分僅僅是智能。在這一過程中,通常要為電壓、電流、溫度和其他參數(shù)(如現(xiàn)有電源的占空比或頻率)添加傳感電路。此外,可能還需要連接其他電路來控制現(xiàn)有電源的功能,如使能和電壓設(shè)定值。很多SMPS ASIC已通過I/O引腳或I2C?連接實(shí)現(xiàn)了必要的控制輸入。而且有很多通用MCU(如PIC16F1939)可與這些ASIC交互并提供可改善電源功能的接口、命令和控制。

連接電源并通過驗(yàn)證后,便可利用標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具(如MPLAB X IDE和PICkit 3)快速開發(fā)附加功能。通常,這種方法不需要軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)完全精通SMPS設(shè)計(jì)的難點(diǎn),因?yàn)镾MPS團(tuán)隊(duì)會(huì)單獨(dú)驗(yàn)證系統(tǒng)的這一部分。

數(shù)字電源

為了節(jié)省成本,開發(fā)人員對(duì)完全集成SMPS和MCU有著強(qiáng)烈的意愿。一種非常有效的方法是使用具有快速采樣ADC的高性能MCU。這類器件能夠?qū)崿F(xiàn)由軟件控制的全數(shù)字反饋系統(tǒng)。如果性能足夠高,則可在軟件中實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的反饋算法,這樣硬件上就變得非常簡(jiǎn)單。這種方法極具吸引力,但有幾點(diǎn)需要考慮。

1)當(dāng)故障排除中必須包含ADC和算法時(shí),傳統(tǒng)的切斷/跳轉(zhuǎn)調(diào)試方法不再那么有效。

2)軟件團(tuán)隊(duì)必須理解SMPS補(bǔ)償?shù)男阅芎蛿?shù)學(xué)要求。有時(shí)一些非常微小的代碼變化都會(huì)對(duì)穩(wěn)定性造成顯著影響。

3)控制器的電源要求隨著MIPS的增加而提高,因此計(jì)算量大的算法將影響系統(tǒng)效率。

如果這些限制在系統(tǒng)中不成問題,那么便可利用軟件實(shí)現(xiàn)一些相當(dāng)神奇的事情。

混合智能電源

“蠻力”方法和全數(shù)字方法之間存在一種混合方法。這種方法將具有必需的模擬反饋外設(shè)的混合信號(hào)控制器與必需的MCU功能組合在單個(gè)集成電路中。其中一種代表性的器件就是PIC16F753。PIC16F753將運(yùn)算放大器(運(yùn)放)、斜率補(bǔ)償器、DAC、比較器和脈寬調(diào)制(PWM)控制器集成在單個(gè)14引腳的單片機(jī)中。其中每個(gè)外設(shè)都可編程,并且它們可以各種方式組合來創(chuàng)建大量電流模式電源。由于這些外設(shè)可在軟件中配置,因此可以動(dòng)態(tài)地更改配置來適應(yīng)各種電源狀況。

例如,當(dāng)玩具待機(jī)時(shí),比較恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ峭ㄟ^簡(jiǎn)單的固件前饋調(diào)節(jié)器將玩具中的電源作為滯后控制器來操作。當(dāng)玩具激活時(shí),可快速將電源重新配置為不同工作頻率下的連續(xù)電流模式,準(zhǔn)備執(zhí)行動(dòng)作。由于整個(gè)電源在MCU的外設(shè)內(nèi)部進(jìn)行控制,因此所有需要的傳感電路均為SMPS的一部分,而非在設(shè)計(jì)生命周期的后期添加。這樣便有可能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并減少元件數(shù)量。固件也能從電源行為的額外可視性中受益且無需增加新元件。電源的設(shè)計(jì)過程與傳統(tǒng)方法幾乎相同。步驟如下:

1)確定電源拓?fù)?br />
2)創(chuàng)建電源并計(jì)算元件值

3)配置內(nèi)部外設(shè)(20行代碼)

4)驗(yàn)證性能并調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

5)編寫通信和智能接口代碼。

第5步不需要了解詳細(xì)的電源知識(shí)便可完成,因?yàn)橥庠O(shè)配置將由電源工程團(tuán)隊(duì)設(shè)置并驗(yàn)證。
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設(shè)計(jì)過程

● 確定電源拓?fù)?br /> ● 創(chuàng)建模型并計(jì)算元件值
● 配置電源的單片機(jī)外設(shè)
● 調(diào)整模擬反饋環(huán)
● 編寫通信和智能代碼

通用配置

大多數(shù)使用PIC16F753創(chuàng)建的電源基于通用SMPS配置做出了少許更改。此配置如下所示。

專家解讀:如何實(shí)現(xiàn)電源智能化?
圖1
 
在此配置中,外設(shè)配置為產(chǎn)生大多數(shù)電流模式的固定頻率電源。COG是互補(bǔ)輸出發(fā)生器。其功能是通過上升沿和下降沿輸入構(gòu)成的可編程死區(qū)生成互補(bǔ)輸出。CCP配置為生成可編程的頻率上升沿。當(dāng)電流超出斜率補(bǔ)償器的輸出時(shí),比較器C1生成下降沿。CCP可與C1結(jié)合來產(chǎn)生最大占空比。一些拓?fù)洌ㄈ缟龎?、反激或SEPIC)需要最大占空比。運(yùn)放OPA用于提供反饋和補(bǔ)償。圖中由DAC為運(yùn)放提供參考電壓,但如果不需要可編程電壓,固定電壓參考(FVR)也可用于為運(yùn)放提供參考電壓。斜率補(bǔ)償器可通過比較器或COG復(fù)位。其工作原理是使用可編程灌電流來使預(yù)充電到其輸入(此例中為OPA)所設(shè)置電平的電容衰減。這種電源配置非常易于使用。下面是LED串中升壓電源調(diào)節(jié)電流的示例。

升壓LED電源示例

專家解讀:如何實(shí)現(xiàn)電源智能化?
圖2

構(gòu)建并測(cè)試硬件后,只需實(shí)現(xiàn)一些基本功能便可增加智能,如下所示:
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LED驅(qū)動(dòng)器流程圖

專家解讀:如何實(shí)現(xiàn)電源智能化?
圖3
 
最大功率點(diǎn)狀態(tài)機(jī)

專家解讀:如何實(shí)現(xiàn)電源智能化?
圖4
 
電池充電器狀態(tài)機(jī)

專家解讀:如何實(shí)現(xiàn)電源智能化?
圖5
 
結(jié)語(yǔ)

向電源添加MCU得到的最終結(jié)果遠(yuǎn)比單獨(dú)使用器件時(shí)強(qiáng)大。集成可采用如下幾種形式:僅將MCU接入現(xiàn)有SMPS設(shè)計(jì),通過高性能dsPIC建立全數(shù)字SMPS,或使用混合信號(hào)MCU將模擬SMPS功能與MCU集成到單個(gè)芯片上。

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