案例分析:電源如何實現智能化
發布時間:2016-10-28 責任編輯:cywen
【導讀】世shi界jie上shang有you許xu多duo供gong電dian應ying用yong,其qi中zhong大da部bu分fen隻zhi需xu要yao一yi個ge幹gan淨jing的de電dian流liu源yuan或huo電dian壓ya源yuan即ji可ke完wan成cheng工gong作zuo。在zai這zhe些xie應ying用yong中zhong,越yue來lai越yue多duo的de應ying用yong需xu要yao通tong過guo某mou種zhong智zhi能neng算suan法fa來lai調tiao整zheng電dian壓ya或huo電dian流liu以yi改gai善shan性xing能neng、降低功耗或者實現某種新功能,從而使產品在市場上更具競爭力。
其中一些應用包括:
1)用於太陽能係統或能量采集的最大功率點追蹤。
2)電池充電,尤其是一些較為奇特的化學物質。
3)具有調光或日光采集功能的LED照明。
4)通過備用電源係統實現容錯。
zaimeizhongyingyongzhong,douhuitianjiadanpianjilaizhixingmouzhongchengdudezhinengsuanfayibiangengyouxiaodiguanligonglv。qitagonglvxitongzhixuyaoyurenhuoqitaxitongjiaohudezhineng。zhexiexitongbaokuoPC主板上的SMbus功率元件,汽車內基於LIN接口的照明係統或大型建築中的以太網管理電源板。隻需向現有產品添加通信功能,即可將產品的實用性和價值提高幾個等級或層次。
傳統智能電源
很多智能電源係統采用“蠻力”方法,即僅僅向現有電源係統添加一個MCU.這樣做的風險很低,因為現有係統能完成任務且已被充分理解。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(如現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製現有電源的功能,如使能和電壓設定值。很多SMPS ASIC已通過I/O引腳或I2C?連接實現了必要的控製輸入。而且有很多通用MCU(如PIC16F1939)可與這些ASIC交互並提供可改善電源功能的接口、命令和控製。
連接電源並通過驗證後,便可利用標準開發工具(如MPLAB X IDE和PICkit 3)快速開發附加功能。通常,這種方法不需要軟件開發團隊完全精通SMPS設計的難點,因為SMPS團隊會單獨驗證係統的這一部分。
數字電源
為了節省成本,開發人員對完全集成SMPS和MCU有著強烈的意願。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(zhe)類(lei)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)由(you)軟(ruan)件(jian)控(kong)製(zhi)的(de)全(quan)數(shu)字(zi)反(fan)饋(kui)係(xi)統(tong)。如(ru)果(guo)性(xing)能(neng)足(zu)夠(gou)高(gao),則(ze)可(ke)在(zai)軟(ruan)件(jian)中(zhong)實(shi)現(xian)極(ji)其(qi)複(fu)雜(za)的(de)反(fan)饋(kui)算(suan)法(fa),這(zhe)樣(yang)硬(ying)件(jian)上(shang)就(jiu)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)簡(jian)單(dan)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)極(ji)具(ju)吸(xi)引(yin)力(li),但(dan)有(you)幾(ji)點(dian)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)。
1)當故障排除中必須包含ADC和算法時,傳統的切斷/跳轉調試方法不再那麼有效。
2)軟件團隊必須理解SMPS補償的性能和數學要求。有時一些非常微小的代碼變化都會對穩定性造成顯著影響。
3)控製器的電源要求隨著MIPS的增加而提高,因此計算量大的算法將影響係統效率。
如果這些限製在係統中不成問題,那麼便可利用軟件實現一些相當神奇的事情。
混合智能電源
“蠻力”方法和全數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的混合信號控製器與必需的MCU功能組合在單個集成電路中。其中一種代表性的器件就是PIC16F753.PIC16F753將運算放大器(運放)、斜率補償器、DAC、比較器和脈寬調製(PWM)控製器集成在單個14引(yin)腳(jiao)的(de)單(dan)片(pian)機(ji)中(zhong)。其(qi)中(zhong)每(mei)個(ge)外(wai)設(she)都(dou)可(ke)編(bian)程(cheng),並(bing)且(qie)它(ta)們(men)可(ke)以(yi)各(ge)種(zhong)方(fang)式(shi)組(zu)合(he)來(lai)創(chuang)建(jian)大(da)量(liang)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)電(dian)源(yuan)。由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)外(wai)設(she)可(ke)在(zai)軟(ruan)件(jian)中(zhong)配(pei)置(zhi),因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)動(dong)態(tai)地(di)更(geng)改(gai)配(pei)置(zhi)來(lai)適(shi)應(ying)各(ge)種(zhong)電(dian)源(yuan)狀(zhuang)況(kuang)。例(li)如(ru),當(dang)玩(wan)具(ju)待(dai)機(ji)時(shi),比(bi)較(jiao)恰(qia)當(dang)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)的(de)固(gu)件(jian)前(qian)饋(kui)調(tiao)節(jie)器(qi)將(jiang)玩(wan)具(ju)中(zhong)的(de)電(dian)源(yuan)作(zuo)為(wei)滯(zhi)後(hou)控(kong)製(zhi)器(qi)來(lai)操(cao)作(zuo)。當(dang)玩(wan)具(ju)激(ji)活(huo)時(shi),可(ke)快(kuai)速(su)將(jiang)電(dian)源(yuan)重(zhong)新(xin)配(pei)置(zhi)為(wei)不(bu)同(tong)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)下(xia)的(de)連(lian)續(xu)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi),準(zhun)備(bei)執(zhi)行(xing)動(dong)作(zuo)。由(you)於(yu)整(zheng)個(ge)電(dian)源(yuan)在(zai)MCU的外設內部進行控製,因此所有需要的傳感電路均為SMPSdeyibufen,erfeizaishejishengmingzhouqidehouqitianjia。zheyangbianyoukenengjianhuashejibingjianshaoyuanjianshuliang。gujianyenengcongdianyuanxingweideewaikeshixingzhongshouyiqiewuxuzengjiaxinyuanjian。dianyuandeshejiguochengyuchuantongfangfajihuxiangtong。buzhouruxia:
1)確定電源拓撲
2)創建電源並計算元件值
3)配置內部外設(20行代碼)
4)驗證性能並調整補償網絡。
5)編寫通信和智能接口代碼。
第5步不需要了解詳細的電源知識便可完成,因為外設配置將由電源工程團隊設置並驗證。
設計過程
●確定電源拓撲
●創建模型並計算元件值
●配置電源的單片機外設
●調整模擬反饋環
●編寫通信和智能代碼
通用配置
大多數使用PIC16F753創建的電源基於通用SMPS配置做出了少許更改。此配置如下所示。

在此配置中,外設配置為產生大多數電流模式的固定頻率電源。COG是互補輸出發生器。其功能是通過上升沿和下降沿輸入構成的可編程死區生成互補輸出。CCP配置為生成可編程的頻率上升沿。當電流超出斜率補償器的輸出時,比較器C1生成下降沿。CCP可與C1結合來產生最大占空比。一些拓撲(如升壓、反激或SEPIC)需要最大占空比。運放OPA用於提供反饋和補償。圖中由DAC為運放提供參考電壓,但如果不需要可編程電壓,固定電壓參考(FVR)也可用於為運放提供參考電壓。斜率補償器可通過比較器或COG複位。其工作原理是使用可編程灌電流來使預充電到其輸入(此例中為OPA)所設置電平的電容衰減。這種電源配置非常易於使用。下麵是LED串中升壓電源調節電流的示例。

升壓LED電源示例
構建並測試硬件後,隻需實現一些基本功能便可增加智能,如下所示:

LED驅動器流程圖

最大功率點狀態機

電池充電器狀態機

最大功率點狀態機

電池充電器狀態機
結論
向電源添加MCU得到的最終結果遠比單獨使用器件時強大。集成可采用如下幾種形式:僅將MCU接入現有SMPS設計,通過高性能dsPIC建立全數字SMPS,或使用混合信號MCU將模擬SMPS功能與MCU集成到單個芯片上。
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