設(shè)計(jì)數(shù)字電源：如何編寫固件

我以德州儀器 (TI) 的UCD3138為例介紹了如何設(shè)計(jì)數(shù)字電源 ，并重點(diǎn)介紹了硬件設(shè)計(jì)。在本期中，我將解釋如何編寫固件以使其工作。

固件

與模擬電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)通過硬件控制一切不同，固件是數(shù)字控制的“靈魂”；幾乎所有主要功能都是通過代碼實(shí)現(xiàn)的。由于代碼受到實(shí)時(shí)限制，中央處理器 (CPU) 帶寬有限，因此具有組織良好的固件結(jié)構(gòu)非常重要。

我們可以將 CPU 處理的任務(wù)分為兩類：時(shí)間關(guān)鍵型和非時(shí)間關(guān)鍵型。時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)包括 ADC 測(cè)量、環(huán)路控制、系統(tǒng)保護(hù)和狀態(tài)機(jī)。非時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)通常包括 PMBus/通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 通信、故障記錄等。

基于這兩類，固件分為兩個(gè)主要部分：中斷循環(huán)，處理時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)；以及處理非時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)的后臺(tái)循環(huán)。圖 1 說明了固件結(jié)構(gòu)：

圖 1：固件結(jié)構(gòu)

后臺(tái)循環(huán)的框圖很簡(jiǎn)單：系統(tǒng)初始化后，CPU進(jìn)入無限循環(huán)。所有非時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)都在這個(gè)循環(huán)中執(zhí)行。同時(shí)，定時(shí)器會(huì)產(chǎn)生固定頻率的中斷。如果任何時(shí)候有中斷，CPU 會(huì)停止它正在做的事情，存儲(chǔ)所有相關(guān)數(shù)據(jù)并跳轉(zhuǎn)到中斷程序。一旦中斷例程完成，CPU 就會(huì)回到后臺(tái)循環(huán)并從它停止的地方繼續(xù)。

中斷循環(huán)更復(fù)雜。它測(cè)量 ADC 輸入、控制轉(zhuǎn)換器并負(fù)責(zé)系統(tǒng)保護(hù)。中斷循環(huán)的關(guān)鍵部分是狀態(tài)機(jī)，它指示轉(zhuǎn)換器的當(dāng)前狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器在這個(gè)狀態(tài)下需要做什么，轉(zhuǎn)換器接下來應(yīng)該做什么。圖 2 是一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)示例：

圖 2：狀態(tài)機(jī)圖

CPU 繼續(xù)監(jiān)視輸入電壓。一旦輸入電壓超過預(yù)定義閾值，轉(zhuǎn)換器就會(huì)開啟并開始執(zhí)行軟啟動(dòng)，而輸出電壓會(huì)線性增加，直到達(dá)到設(shè)定點(diǎn)。一旦輸出電壓達(dá)到該設(shè)定點(diǎn)，轉(zhuǎn)換器就會(huì)進(jìn)入調(diào)節(jié)模式，它將一直停留到發(fā)生故障或被命令關(guān)閉。如果在任何時(shí)候發(fā)生故障，轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉并鎖定，除非被命令重新啟動(dòng)。

使用圖形用戶界面

TI 的 Fusion Digital Power Designer 圖形用戶界面 (GUI) 簡(jiǎn)化了由UCD3138控制的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。通過 PMBus 與 GUI 對(duì)話，我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源運(yùn)行狀態(tài)、配置運(yùn)行參數(shù)和調(diào)整控制回路。

GUI 支持最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括 PFC、LLC 和相移全橋。不同的拓?fù)鋵⒂胁煌?GUI 界面。固件中的設(shè)置 ID 告訴 GUI 拓?fù)涫鞘裁矗员闼蜷_一個(gè)接口來適應(yīng)該拓?fù)?。圖 3 顯示了 PFC 轉(zhuǎn)換器的 GUI：

Figure 3: UCD3138 GUI

溝通

數(shù)字控制器可以監(jiān)控轉(zhuǎn)換器并與主機(jī)通信；反過來，主機(jī)可以向轉(zhuǎn)換器發(fā)送命令，以執(zhí)行諸如輸出電壓調(diào)整、上電排序、遠(yuǎn)程開/關(guān)控制等任務(wù)。在隔離式 AC/DC 應(yīng)用中，PFC 后跟隔離式 DC /DC轉(zhuǎn)換器，UART用于PFC與DC/DC之間的通信，PMBus用于DC/DC與負(fù)載/主機(jī)之間的通信，如圖4所示。

圖 4：隔離 AC/DC 系統(tǒng)中的通信

對(duì)于PFC和DC/DC之間的UART通信，目前還沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；但是，UCD3138團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)完整的主/次通信協(xié)議示例，可供使用。 

希望現(xiàn)在我們對(duì)如何設(shè)計(jì)數(shù)字控制電源有了大致的了解。盡管我在本系列中給出的設(shè)計(jì)示例基于升壓轉(zhuǎn)換器，但同樣的設(shè)計(jì)原則也適用于其他拓?fù)?。功率?jí)與模擬解決方案相同，但控制實(shí)現(xiàn)不同：一個(gè)是通過代碼實(shí)現(xiàn)，可以動(dòng)態(tài)改變，另一個(gè)是硬件實(shí)現(xiàn)，是固定的。固件開發(fā)在數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中需要大量工作。編寫代碼對(duì)模擬工程師來說可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，但是一旦你習(xí)慣了它，你就會(huì)享受到數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)。