适用于复杂负载点应用的数字增强型电源模拟直流/直流控制器

简介

在许多系统中，使用单片机来控制多个负载点（POL）直流/直流转换器，从而构成混合控制系统以管理系统启动行为、监视电气参数并管理外设子系统的功耗。不过，最复杂的解决方案可在计算机主板、图形卡或服务器的CPU刀片上找到，其中稳压器模块（VRM）直接与其负载通信来调整电源电压，并且/或者甚至调整其控制特性来适应临时的工作条件。这种"智能"电源转换管理和控制在总体系统效率、性能和可靠性方面具有显著优势——简而言之：是工业、医疗、汽车以及消费类细分市场的首选解决方案。

主体部分

最近十年来，Microchip Technology Inc专注于所谓的智能电源转换（IPC/SPC）应用，为各种各样的电源转换应用带来了更多特性和增强功能。一直以来的一个主要焦点是，采用基于DSP的高性能单片机（带有高专用性的高速高分辨率外设）以及用于混合控制系统（将单片机与全模拟控制环结合在一起）的专用控制器系列对电源转换器/逆变器进行全数字控制。更深入地研究特定解决方案后，显然可以发现，基于模拟的混合控制系统不是100%模拟，全数字解决方案也不是100%数字。这两种解决方案都迫切需要模拟和数字的替代方案来克服特定限制，从而针对特定的目标应用具有特定优势。最新的智能电源转换控制器产品系列MCP191xx面向专用电源转换器拓扑和应用，它标志着电源转换器的智能化取得了新的技术进步。

该产品系列的首个成员MCP19111将高性能模拟同步降压转换控制器和8位MCU合并为单片IC，从而提供增强、灵活的配置、控制和监视功能，同时允许集成标准化或专有通信，以在更高级的电源管理结构中安排多个转换器。与其他现有的混合POL控制器不同，MCP19111可完全采用C语言编程。这一优势提供了充分的灵活性，从而可调整器件以满足不同的应用要求，适应特定的工作条件以及实现通用的监视任务和定制功能。该器件具有4.5V至32V的直流宽输入电压范围、低至0.5V的输出电压，以及最高支持2A拉电流/4A灌电流的驱动器，因而可支持各种应用。

数字增强功能

数字控制器和模拟开关稳压器在同一芯片上可以使模拟功能与数字控制紧密融合，从而允许在运行时直接操纵补偿电路、开关频率、死区控制、系统级阈值以及许多其他功能。此外，由于MCU本身采用模拟开关稳压器架构进行封装，因而无需额外的辅助电源或外部MOSFET驱动器。图1给出了MCP19111数字增强型电源模拟控制器的高阶框图以及一个典型应用电路。模拟开关稳压器部分完全涵盖了模拟控制环的所有元件（包括MOSFET驱动器），还包含MCU的辅助电源。数字部分由8位PIC12F中档MCU内核、8 KB的闪存以及256字节的RAM组成。此外，它还提供了多达15个GPIO（其中8个为附加模拟输入）、1个基于I?CTM/SMbus的串行通信接口、外部中断以及3个自由定时器。许多内部信号（如输入电压、输出电压或电感电流）可直接在片上进行监视，无需外部传感。数字实现甚至允许读取电流占空比，这在目前还是一项非常有用的功能，但由于许多技术原因，仅供全数字控制器使用。

效率最大化

除了增强的监视功能，数字内核的单片集成电路还允许直接访问许多参数，这些参数通常在硬件中固定或无法在硅片中访问。最值得注意的是可调死区、可编程补偿器、内部反馈校准、可编程保护阈值，以及在运行时于电流与电压模式控制之间进行切换的能力。

可调死区

在同步降压转换器中，上桥臂开关与下桥臂开关之间的死区设置对系统总效率有显著影响。如果模拟控制器完全不提供任何可调死区设置，那么设计人员必须参考某种考虑到最高温度和负载条件的最坏情况（死区通常需要设置为最大值），并将此值"编程"到硬件中，例如通过放置电容和/或电阻。这必然会增大内核与二极管的损耗，因为转换器很可能永远不会置于这些假定的最坏情况下。

一个适当的解决方案是自动调整死区以适应特定负载和温度条件。遗憾的是，使用板上过零检测器始终以最佳死区来驱动开关会存在某些严重限制，原因有二。首先，各种模拟过零检测器均基于比较器。最快（经济实惠）的模拟比较器的典型传播延时为15-20 ns，其结果如图3所示，传播过慢而无法达到最佳级别。其次，此过零检测器必须工作在半桥的开关节点，此处存在高频开关噪声需要滤波，这会进一步降低触发速度，最终导致此功能失效。

但是，模拟领域无法解决的问题，在数字领域会找到解决方案。实现此最优化的最常见技术是，监视并分析转换器的外部条件直至