善用微处理器简化电源供应器设计

　　电源供应器设计人员经常面对种种相互冲突的要求。一方面要缩小体积、降低成本，另一方面又要提供更多功能并提高输出功率。受原理上的限制，模拟电源供应控制器本身的功能有限，而模拟电源控制器的设计更是越来越复杂。由于这个原因，有些设计人员转向了纯数字电源设计。然而，对于许多设计人员来说，如此快速地转换到陌生的领域并不容易。比较可行的折衷方法是采用传统模拟电源供应器，但增加数位微处理器做为前端。

这种设计的优点在于电源本身的控制仍然使用模拟技术来实现。因此电源供应器设计人员不需要从头重新开始数字设计，就可以为现有设计增加新的功能。採用这种方法，设计中仍然使用熟悉的误差放大器、电流检测以及电压检测电路。当然，尽管有些设计单元（如补偿网路）仍然采用分离元件，但其余部分则由微处理器来控制。
控制与监测
微处理器能够带来的功能可分为四类：控制、监测、判断性功能及通信。下面我们将详细讨论这几类功能。

第一类控制功能与微处理器和电源之间的硬件介面有关。在模拟设计中，非常重要的是要为连接微处理器保留介面。有些电源控制器在内部产生控制信号（如参考电压），这样的控制器为微处理器提供的外部连接点很少。然而，像Microchip的 MCP1630电源控制器，在设计上就为微处理器提供了充足的连接点。就本文来说，我们假定电源控制器提供两个控制点——关断输入以及设置参考电压的能力，如图1所示。尽管这样两个连接点看起来并不多，但已经能够提供功能非常强大的控制和复杂能力。
　

图1：电源控制器提供关断输入及设置参考电压的能力

名词解释：
Power Supply－电源
Error Amplifier－误差放大器
PWM Output－PWM输出
Current Sense－电流检测
　

目前，微处理器在许多电源设计中的作用主要是监测。许多微处理器都有搭载模拟数字转换器（ADC）和模拟比较器。因此，微处理器在监测输入电压、输入电流、输出电压、输出电压和温度等信号方面是理想选择。

微处理器能够监测范围如此广泛的信号，就可以完成更多功能，如智能故障检测。微处理器的多功能源于其可编程能力，可以方便地进行制订来满足设计要求。这样，对于故障情况就可以分类进行处理。短暂的超载以及其他非关键故障可能只需要设置一个标志就可以了。而过热的情形则可能需要关闭电源，直到故障排除。需要重新启动电源的故障也可以进行更严格的控制。在某个时间段内如果有太多的故障，微处理器就可以永久关断电源。

微处理器的处理能力还可以实现复杂的计算测量，如功率的即时计算。在模拟系统中确定功率值需要进行复杂的模拟计算。但对于微处理器来说，这只是小事一桩。输入功率、输出功率、效率以及功率损失等参数都可以计算。

判断性功能及通信
最后，微处理器的监测功能还可以支援更高级功能，如故障预测。即时将工作电流与历史资料进行比较，电源设计人员便可判断导致电源故障的原因。电源本身具备预测自我故障的能力可以节约成本并提供更高的可靠性。

监测资料并不仅仅是为了故障检测。根据这些资料还可採取许多其他操作。这些任务就归入判断性功能的范畴。

判断性功能给予电源设计人员为设计增加更大的灵活性、更多功能和保护能力。让我们来考虑一下软启动或欠电压锁定的情况。利用微处理器来完成这些任务，锁定电压和缓启动斜坡速率都是可编程的，并且不依赖于模拟零件。

微处理器还可以执行更复杂的任务，比如上电顺序（power-up sequencing）。电源供应器可以编程以监测另一个电压，直到被监测的电压达到设定值时再启动。可能还会有这样的情况：两个电压必须成比例上升，或者彼此跟随变化。这些功能只需修改软件就可以实现，而不必对硬件作更改。

判断性功能的另一种可能应用是根据温度来调整电流限制。这样电源供应器设计人员可以利用零件的温度下降参数来保证确实运作。

利用判断性功能还可以实现零件补偿，进而提高准确性。许多资料手册都给出了参数随温度的变化情况。这种情况下，微处理器可以用来实现温度补偿。这样，设计人员可以使用成本更低的零件，并根据温度对结果进行补偿。Microchip应用笔记AN1001（DS01001）就描述了如何通过补偿利用一个+/-6°C的温度感测器来实现+/-0.1°C的温度传感精确性。

微处理器的判断性功能还可以用于自我校准电源供应，使其在输出端提供已知的电压，输出电压通过电压回馈电路进行检测并存储。采用这种方法，可以消除电压回馈电阻的任何误差，从而可以使用低成本电阻，却不会影响精确性。而且，5伏和3.3伏电源的硬体都是一样的，不同的仅仅是校正过程。

此处列举的仅是微处理器判断性功能应用的一部分例子。举出这些例子仅仅是为了展示微处理器的强大功能。由此可知，大量电源供应器参数都可以通过小型且廉价的微处理器进行监测和控制。但我们还没有讨论资讯的存储和获取。这也正表现了电源供应通讯的重要性。

有多种电源供应通信的方式，从最简单的跳线或开关设置，直到复杂协定（如乙太网路）。简单的通信方式可用于设置参数，如输出电压或工作模式。较复杂的协议则可支援对电源供应器进行更复杂更全面的控制和监测。

真正的价值则在于远端通信。对于位于远端的电信和伺服器电源供应器，这一点极为重要。此一远端监控能力让操作员能提高系统的可靠性。

此外，远端通信还允许操作员根据预计的负载情况调整电压和电流限制。在此同时，若搭配备用电源更可进一步提高可靠性和正常工作时间。一旦电源供应器接收到显示故障发生的信号，就可以通知操作员关闭故障的电源供应器并启动备用供应器。这个过程也可以进行自动化操作，出现故障的电源供应器可以根据设定的条件自动启动并切换到备用电源。

电源供应通讯并不仅仅用于监测和设置工作参数。许多微处理器都有搭载EEPROM来储存生产资讯等资料。一旦零件发生故障，设备操作员可容易地判断哪些电源供应器受到影响。同时，还可以存储维修历史。这样就可以保证电源的生产资料、维修历史以及运作资讯始终都在手边，以保存最新资讯。
8位元MCU即可担负复杂任务
对于前面列出的微处理器功能，目前普遍存在一种误解：设计人员可能认为这些任务必须使用高阶微处理器或数字信号处理器才能实现。实际上，本文中所描述的所有任务都可以方便地利用低成本8位元微处理器实现。

此外，采用微处理器的这种设计并非是要取代现有的模拟功能，而是作为模拟系统的一种补充，为整个电源供应系统提供只有数字微处理器才能提供的灵活性和处理能力。