單片機(jī)在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電源設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨種種互相對(duì)立的要求。一方面要縮小體積、降低成本,另一方面又要提供更多功能并提高輸出功率。受原理上的限制,模擬電源本身的功能有限,而模擬電源控制器的設(shè)計(jì)更是越來(lái)越復(fù)雜。由于這一原因,有些設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向了純數(shù)字電源設(shè)計(jì)。然而,對(duì)于許多設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),如此快速地轉(zhuǎn)向不熟悉的領(lǐng)域并不容易。比較可行的一種折衷方法是采用傳統(tǒng)模擬電源,但增加數(shù)字單片機(jī)做為前端。

    這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于電源本身的控制仍然使用模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此電源設(shè)計(jì)人員不需要從頭重新開(kāi)始全數(shù)字設(shè)計(jì)就可以為現(xiàn)有設(shè)計(jì)增加新的功能。采用這種方法,設(shè)計(jì)中仍然使用熟悉的誤差放大器、電流檢測(cè)以及電壓檢測(cè)電路。當(dāng)然,盡管有些設(shè)計(jì)單元（如補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)）仍然采用分立器件實(shí)現(xiàn),但其余部分則由單片機(jī)來(lái)控制。

    單片機(jī)能夠帶來(lái)的功能可分為四類(lèi)：控制、監(jiān)測(cè)、判斷性功能及通信。下面我們將詳細(xì)討論這幾類(lèi)功能。

    第一類(lèi)控制功能與單片機(jī)和電源之間的硬件接口有關(guān)。在模擬設(shè)計(jì)中,非常重要的是要為連接單片機(jī)留有接口。有些電源控制器在內(nèi)部生成控制信號(hào)（如參考電壓）。這樣的控制器為單片機(jī)提供的外部連接點(diǎn)很少。Microchip公司MCP1630電源控制器在設(shè)計(jì)上為單片機(jī)提供了豐富的連接點(diǎn)。就本文來(lái)說(shuō),我們假定電源控制器提供兩個(gè)控制點(diǎn)--關(guān)斷輸入以及設(shè)置參考電壓的能力,如圖1所示。盡管這樣兩個(gè)連接點(diǎn)看起來(lái)并不多,但已經(jīng)能夠提供功能非常強(qiáng)大的控制功能和復(fù)雜功能。 

    目前,單片機(jī)在許多電源設(shè)計(jì)中的作用主要是監(jiān)測(cè)。許多單片機(jī)都有片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和模擬比較器。因此,單片機(jī)在監(jiān)測(cè)輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電壓和溫度等信號(hào)方面是理想之選。

    單片機(jī)能夠監(jiān)測(cè)范圍如此廣泛的信號(hào),就可以完成更多功能,如智能故障檢測(cè)。單片機(jī)的多功能源于其可編程能力,可以方便地進(jìn)行定制來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。這樣,對(duì)于故障情況就可以分類(lèi)進(jìn)行處理。短暫的過(guò)流以及其他非關(guān)鍵故障可能只需要設(shè)置一個(gè)標(biāo)志就可以了。而過(guò)熱這樣的故障則可能需要關(guān)閉電源,直到故障排除。需要重新啟動(dòng)電源的故障也可以進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)如果有太多的故障,單片機(jī)就可以永久關(guān)斷電源。

    單片機(jī)強(qiáng)大的處理能力還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算測(cè)量,如功率的實(shí)時(shí)計(jì)算。在模擬系統(tǒng)中確定功率值需要進(jìn)行復(fù)雜的模擬計(jì)算。但對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō),只是小事一樁。輸入功率、輸出功率、效率以及功率損失等參數(shù)都可以計(jì)算。

    最后,單片機(jī)的監(jiān)測(cè)功能還可以支持更高級(jí)功能,如故障預(yù)測(cè)。將工作電流實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,電源設(shè)計(jì)人員便可判斷導(dǎo)致電源故障的條件。電源本身具備預(yù)測(cè)自己故障的能力可以節(jié)約成本并提供更高的可靠性。

    監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不僅僅是為了故障檢測(cè)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)還可采取許多其他操作。這些任務(wù)就歸入判斷性功能的范疇。判斷性功能允許電源設(shè)計(jì)人員為設(shè)計(jì)增加更大的靈活性、更多功能和保護(hù)能力。讓我們來(lái)考慮一下軟啟動(dòng)或欠壓鎖定的情況。利用單片機(jī)來(lái)完成這些任務(wù),鎖定電壓和軟啟動(dòng)斜坡速率都是可編程的,并且不依賴于模擬器件。

    判斷性功能還可以執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。比如上電順序?？梢跃幊套岆娫幢O(jiān)測(cè)另一個(gè)電壓,直到被監(jiān)測(cè)的電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)再啟動(dòng)。可能還會(huì)有這樣的情況,兩個(gè)電壓必須成比例上升,或者彼此跟隨變化。所有這些功能只需修改軟件就可以實(shí)現(xiàn),而不必對(duì)硬件作更改。

    判斷性功能的另一種可能應(yīng)用是根據(jù)溫度來(lái)調(diào)整電流限制。這樣電源設(shè)計(jì)人員可以利用器件的溫度降額參數(shù)來(lái)保證可靠運(yùn)行。

    利用判斷性功能還可以實(shí)現(xiàn)器件補(bǔ)償,從而提高其精度。許多數(shù)據(jù)手冊(cè)都給出了參數(shù)隨溫度的變化情況。這種情況下,單片機(jī)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。這樣,設(shè)計(jì)人員可以使用成本更低的器件,并根據(jù)溫度對(duì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。Microchip應(yīng)用筆記AN1001(DS01001)就描述了如何通過(guò)補(bǔ)償利用一個(gè)±6℃的溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)±0.1℃的溫度傳感精度。

    單片機(jī)的判斷性功能還可以用于自校準(zhǔn)電源,使其在輸出端提供已知的電壓,輸出電壓通過(guò)電壓反饋電路進(jìn)行檢測(cè)并存儲(chǔ)。采用這種方法,可以消除電壓反饋電阻的任何誤差,從而可以使用低成本電阻,卻不會(huì)影響精度。而且,5V和3.3V電源的硬件都是一樣的,不同的僅僅是校正過(guò)程。

    此處列舉的僅是單片機(jī)判斷性功能應(yīng)用的一部分例子。舉出這些例子僅僅是為了展示單片機(jī)的強(qiáng)大功能。由此可知,大量電源參數(shù)都可以通過(guò)小型廉價(jià)的單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。但我們還沒(méi)有討論信息的存儲(chǔ)和獲取。這也正體現(xiàn)了電源通信的重要性。

    有多種電源通信的方式,從最簡(jiǎn)單的跳線或開(kāi)關(guān)設(shè)置,直到復(fù)雜協(xié)議（如以太網(wǎng)）。簡(jiǎn)單的通信方式可用于設(shè)置參數(shù),如輸出電壓或工作模式。較復(fù)雜的協(xié)議則可支持對(duì)電源進(jìn)行更復(fù)雜更全面的控制和監(jiān)測(cè)。

    真正的價(jià)值則在于遠(yuǎn)程通信。對(duì)于位于遠(yuǎn)程的電信和服務(wù)器電源,這一點(diǎn)極為重要。這一遠(yuǎn)程監(jiān)控能力還允許操作員提高系統(tǒng)的可靠性。

    此外,遠(yuǎn)程通信還允許操作員根據(jù)預(yù)計(jì)的負(fù)載情況調(diào)整電壓和電流限制。與此同時(shí),使用冗余電源可進(jìn)一步提高可靠性和正常工作時(shí)間。一旦電源接收到表示故障發(fā)生的信號(hào),就可以通知操作員,關(guān)斷故障電源并激活備用電源。這一過(guò)程也可以進(jìn)行自動(dòng)化操作,出現(xiàn)故障的電源可以根據(jù)設(shè)定的條件自動(dòng)激活并切換到備用電源。

    電源通信并不僅僅用于監(jiān)測(cè)和設(shè)置工作參數(shù)。許多單片機(jī)都有片上EEPROM來(lái)存儲(chǔ)生產(chǎn)信息等數(shù)據(jù)。一旦器件故障發(fā)生,設(shè)備操作員可容易地判斷影響到哪些電源。同時(shí),還可以存儲(chǔ)維修歷史。這樣就可以保證電源的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、維修歷史以及運(yùn)行信息始終都在手邊,保存最新信息。

    對(duì)于前面列出的可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的豐富任務(wù),目前普遍存在一種誤解。設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為這些任務(wù)必須使用高端單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器才能實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上,本文中所描述的所有任務(wù)都可以方便地利用低成本8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。此外,采用單片機(jī)的這種設(shè)計(jì)并非是要取代現(xiàn)有模擬功能,而是作為模擬系統(tǒng)的一種補(bǔ)充,為整個(gè)電源系統(tǒng)提供只有數(shù)字單片機(jī)才能提供的靈活性和處理能力。