電源繼續提供新功能，以提高要求苛刻的通信，工業和醫療應用中的效率，安全性和可管理性。 MCU越來越成為這些智能電源的關鍵元件，并實現了廣泛的控制，傳感和管理功能。了解一些更高級的MCU硬件功能及其簡化智能電源設計的方法對于使用嵌入式系統的任何硬件設計人員都非常有用。

本文將說明嵌入式設計人員可用于滿足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個明顯的要求，但感應，記錄和通信電源操作可能是最佳應用MCU功能的領域。

可靠性，安全性和效率

如今，可靠性，安全性和效率是大多數電源子系統關注的客戶關注點。然而，這些要求經常與低成本，小板空間和易于設計的傳統問題相沖突。使用高級MCU作為智能電源設計的控制器可以幫助減輕這些沖突中的一些沖突，從而創建更優化的設計。現代MCU在小型電路板空間中具有顯著的功能，成本極低，參考設計，代碼示例和開發平臺的可用性大大簡化了實施。

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。快速了解一些重要的片上MCU功能以及與MCU高效配對的一些常見外部設備將有助于指導您自己選擇設備，以便根據您的自定義要求進行有效實施。

有助于將MCU定位為高效電源控制器的最重要趨勢之一是在電源應用中開發標準接口。例如，作為MCU外圍設備的行業標準，I 2 C和SPI總線的發展使得“構建”通用子系統變得容易，并且可以利用標準驅動程序和更高級別的軟件功能。閃存，模數轉換器，數模轉換器，溫度，電壓和電流傳感器均可共用一個公共SPI或I 2 C總線，從而減少引腳數要求并簡化軟件設計。

電源管理總線或PMBus是另一種行業標準串行接口，在開發時考慮了電源控制。該總線基于I 2 C標準，但包括一些特定功能，以簡化與常見電源元件的通信，如測量的電流水平，電壓水平，溫度和風扇速度。該總線支持DC/DC控制器，穩壓器和接口設備的開發，大大提高了基于MCU的電源子系統的潛在智能。 Linear Technology的一些面向PMBus的DC/DC控制器和穩壓器（例如LTC3883）的示例如下面的圖1所示。

圖1：Linear Technology PMBus框圖。 （由Linear Technology提供）

除了各種DC/DC控制器和穩壓器外，Linear還配備了DC1613 PMBus控制器，如圖1左上方所示。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，該器件可用于快速測試和配置PMBus器件，以加速系統開發。 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。

大多數現代MCU直接支持PMBus標準，這使得它成為可能。易于實現高級電源子系統所需的智能。例如，恩智浦LPC11xx MCU有一個可以實現PMBus的串行外設控制器，應用筆記 1 解釋了如何實現PMBus軟件堆棧。尋找簡化代碼開發的這些類型的資源 - 它們在加速基于MCU的實現方面具有無可估量的價值。

除了片上PMBus支持外，其他一些常見的電源要求可以幫助您選擇MCU控制器。通常，脈沖寬度調制或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功能的定時器外設來完成，因此MCU無需花費大量CPU周期來管理MOSFET控制輸出。一些MCU具有片上模數轉換器和數模轉換器，可用于檢測溫度和控制模擬外設的電壓。當需要數據記錄來跟蹤電源子系統性能時，在芯片上快速存儲非易失性數據的能力是另一個有用的功能。瑞薩RL78 MCU，如圖2所示，是現代MCU的一個例子，其中包含許多片上功能。具有PWM功能的大量定時器，片上數據閃存，模數轉換器以及支持PMBus的串行接口均可用于智能電源設計。

圖2：瑞薩RL78 MCU的框圖。 （由Renesas提供）

瑞薩還提供了一個應用筆記和示例代碼，說明了如何為RL78/I1A實現PMBus。示例代碼顯示了如何在I 2 C串行接口上支持PMBus傳輸/接收。該代碼在C中可用，該示例使用Renesas CubeSuite + IDE。

外部設備支持

通常，MCU無法提供實現電源子系統所需的所有功能。例如，用于接通和斷開所需大電流的外部高功率MOSFET器件最有效地實現為獨立器件。在片上集成這些器件通常比使用專用器件更昂貴，因此您通常會在設計中使用至少一些外部MOSFET或IGBT以及可能的專用驅動器。一些MOSFET驅動器集成了片上控制和監控邏輯，這可以使設計更容易，更智能。例如，STMicroelectronics PM8834是一款雙低側驅動器，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：STMicroelectronics PM8834框圖。 （由STMicroelectronics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，在框圖中間的UVLO模塊有助于控制驅動器的上升（它可以使驅動器保持關閉狀態，直到達到UVLO閾值）。對于大于UVLO閾值（UVLOVCC）的VCC電壓，只要相應的使能引腳有效，PWM輸入就會保持對驅動器操作的控制。 PWM_1和PWM_2都在內部下拉，因此，如果懸空，則相應的輸出引腳放電。這些簡單但有用的功能可以簡化編碼并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中，接近統一的功率因數（真實比率）流向負載的功率到電路中的視在功率是提高功率輸送效率的要求。功率因數校正可用于“整形”控制子系統內的電流和電壓波形，以改善電力子系統的總功率因數。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。然而，一種有吸引力的替代方案是使用實現功率因數校正的專用外部設備。 ADI公司的ADP1047如下圖4所示，采用傳統的升壓功率因數校正技術提供浪涌電流控制，輸出電壓反饋與輸入電流和電壓相乘。這提供了最佳的諧波校正，并提供了改進的系統功率因數。

圖4：ADI公司的ADP1047框圖。 （由ADI公司提供）

有幾種狀態輸出可用作外部信號，以便快速指示何時操作偏離標稱值。所有關鍵參數也可以通過PMBus接口進行報告和調整，從而可以輕松地將器件包含在基于MCU的設計中。 ADP1047還可對輸入電壓，電流和功率進行精確的均方根測量，從而為設計增添重要智能。使用專用設備可以增加所需的物料清單，但增加的功能，無需學習和實施不熟悉的控制算法，可以節省數月的開發時間 - 這是許多項目的關鍵優勢。

結論

片上MCU功能和外部設備的精確組合更像是一門藝術而非科學，但理解這些權衡是高效設計的核心是一個好的開始點。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的新外部設備。示例代碼，參考設計和開發板都應包含在任何有效的電源子系統設計中。