近十年来，Microchip Technology Inc. 一直专注于智能电源转换应用，旨在为各类电源转换应用提供更多功能和更大容量。其主要研发方向之一是利用高性能 DSP 微控制器和专用高速高分辨率外设，实现电源转换器/逆变器的全数字控制。此外，公司还开发了专用的混合控制系统控制器系列，将微控制器与完全基于模拟电子器件的控制回路相结合。深入分析这些解决方案后发现，无论是基于模拟电子器件的混合解决方案，还是全数字解决方案，都并非完全的模拟或数字解决方案。两者都迫切需要模拟和数字器件的配合，以克服某些局限性，从而充分发挥其应用潜力。最新的智能电源转换控制器 MCP191xx 系列标志着一项新的技术飞跃，它使转换器更加智能，并专注于专用电源转换器拓扑结构和应用。.
MCP19111 产品系列的首批成员将高性能模拟同步降压转换器控制器和 8 位微控制器集成到单片集成电路中，从而提供先进灵活的配置、控制和监控功能，并可在高功率管理架构中集成多个转换器的标准化或专有通信。与其他现有的混合 POL 控制器不同，MCP19111 完全支持 C 语言编程。这一优势使其能够根据不同的应用需求进行定制，适应特定的工作条件，实现通用监控任务，并集成自定义功能。.
4.5V 至 32V 直流的宽输入电压范围和 0.5V 的输出电压，以及最高可达 2A（电源）/ 4A（功耗）的控制器，使其能够支持各种各样的应用。.
数字技术的进步：
在同一半导体芯片上集成数字控制器和开关模式模拟稳压器，使得模拟功能和数字控制得以整合，从而能够在运行过程中直接操控补偿电路、开关频率、死区时间控制、系统级阈值以及许多其他功能。此外，由于微控制器本身已集成到开关模式模拟稳压器架构中，因此无需额外的辅助电源或外部 MOSFET 驱动器。
图 1 展示了 MCP19111 数字增强型模拟电源控制器的高级框图以及一个典型的应用电路。开关式模拟稳压器部分完整地涵盖了模拟控制回路的所有组件，包括 MOSFET 驱动器，并且还集成了微控制器的辅助电源。数字部分包含一个 8 位 PIC12F 中端微控制器内核，配备 8kB Flash 和 256 字节 RAM。它还提供多达 15 个 GPIO，其中 8 个是额外的模拟输入，一个基于 I²C/SMbus 的串行通信接口，外部中断和三个空闲定时器。许多内部信号，例如输入电压、输出电压和电感电流，可以直接在芯片上进行监测，无需外部检测。
该数字实现甚至允许读取电流占空比值，这是一个非常有用的功能，由于各种技术原因，此前只有全数字控制器才具备此功能。
效率最大化：
除了更强大的监控能力外，数字内核的单片集成还提供了对许多通常由硬件固定或在硅芯片中无法访问的参数的直接访问。其中最显著的优势包括可调死区时间、可编程补偿器、内部反馈校准、可编程保护阈值，甚至能够在运行过程中切换电流和电压控制模式。
区
对系统整体效率有显著影响。如果模拟控制器提供死区调整功能，设计人员必须考虑一些极端情况，例如高温和高负载，此时死区通常应达到最大值，并通过硬件“编程”该值，例如通过添加电容器和/或电阻器。由于转换器几乎不可能遇到这些极端情况，因此这样做不可避免地会导致更高的磁芯损耗和二极管损耗。
一个合适的解决方案是根据特定的负载和温度条件自动调整死区时间。然而，采用过零检测器来始终以最佳死区时间控制开关的做法存在两个严重的局限性。首先，所有类型的模拟过零检测器都基于比较器。速度最快（且价格最实惠）的模拟比较器的典型传播延迟时间为 15–20 ns，根据图 3 所示的结果，这太慢，无法达到最佳水平。其次，该过零检测器必须在半桥的开关模式下工作，而高频开关噪声需要滤波，这会进一步降低触发速度，使该功能失效。.
然而，当模拟域失效时，数字域可以提供解决方案。实现这种优化的最常用技术是监测和分析转换器的输出状态，直至其稳定。一旦检测到稳定运行，就调整死区时间，并监测高侧开关的占空比。对于恒压转换器，该技术的理论基础是：在稳态条件下，高侧开关的最短导通时间决定了效率最高的点，因为此时从母线汲取的功率最小，即可提供恒定的输出功率（参见图 2）。.
图 3 显示了在测试台上，于稳态运行期间，对一系列预设死区时间设置值进行单次扫描的结果。绿线表示施加于高电位侧开关上升沿的死区时间。红线显示了不同死区时间值下高电位侧开关导通时间的变化，而黑色虚线表示其三阶近似值。.
死区时间扫描范围是通过表征系统并定义最优情况（最短死区时间）和最差情况（最长死区时间）来确定的。扫描在90%负载（Vin = 12V，Vout = 3.3V，Iout = 9A）下进行，最大分辨率为4 ns。在图的左侧，占空比初始值接近1.394 µs，并随着死区时间的增加而迅速下降。在此区域，高低电位侧开关已出现部分重叠，并且部分输入能量直接传导至地。.
当死区时间约为 25 ns 时，导通时间达到最小值 1.384 µs，并随着死区时间的进一步增加而再次增加。在不可调设计中，所用开关的死区时间至少设置为 70 ns，因此该工作模式下的典型导通时间为 1.395 µs。根据图 2 中的公式 III，高电位侧原始导通时间和优化后的导通时间之差为 11 ns。乍一看，这似乎并不大，但对于这种高频转换器而言，它代表效率提高了约 0.9%，从而使整体效率从约 92% 提高到 93%。.
可调开关频率和补偿网络：
一个极具吸引力的特性是能够通过软件调节补偿网络和开关频率。这不仅简化了基本设置，还允许在运行过程中进行调整。此前，这一直是全数字控制器的专属功能。在诸如同步降压转换器之类的硬开关拓扑中，开关损耗是造成大部分功率损耗的主要原因。为了提高效率，尤其是在小负载情况下，降低开关频率可以显著提高转换器的整体效率。然而，当开关频率降低而补偿网络由硬件固定时，增益通常会开始下降，这会导致相位裕度和增益的损失。为了补偿这种影响，需要调整系统增益。MCP19111 提供了用于调整 PWM 发生器斜坡电压、零频率（原点处的谐振频率，它定义了第一个极点）、总增益、斜率增益和斜率本身的寄存器。此外，还有用于调整放大器失调和电流检测增益的寄存器组。虽然这项技术可能需要一个彻底的系统表征过程，但它揭示了在效率和稳定性方面引入重大改进的可能性。
极小负载下的效率优化：
在异步降压转换器中，续流二极管的功率损耗由正向压降乘以电流决定。由于二极管上存在显著且无法最小化的永久性正向压降，因此通常使用一个压降低得多的附加开关来旁路/替代二极管，从而构成一个同步整流器。这种技术通常用于负载电流大于 1 A 的情况。然而，对于小负载，当低电位侧开关上的电流很小时，驱动栅极所需的功率超过了通过开关旁路续流二极管所节省的功率。为了在这些特定条件下进一步提高效率，MCP19111 提供了一种所谓的二极管仿真模式。激活该模式后，低电位侧的驱动器将被断开。如果控制器被禁用，则栅极不再偏置，MOSFET 结构中的二极管将充当整流器，从而最大限度地降低功率损耗。
Microchip 的新型 MCP870xx 系列功率 MOSFET 可以增强这种旨在最大限度减少局部功率损耗并提高整体效率的措施。该系列快速功率 MOSFET 具有低导通电阻 (RDS(on)) 和均衡的品质因数，可提供一系列相对于总栅极负载的导通电阻组合，从而优化半桥的整体品质因数。低电位侧开关的 QT 值越大，MCP19111 的二极管模拟模式就越有效。.
优化空载运行：
MCP19111 是一款电流模式驱动器，旨在提供正常运行期间的最佳性能。然而，电流模式驱动器需要一定的最小电流才能正常工作。当负载进入低功耗待机模式时，转换器输出仍需提供标称输出电压，但输出功率可能接近于零。电流模式驱动器通常会切换到某种瞬态信号或脉冲频率 (PFM) 模式，导致输出纹波增大，这可能会超出线路调整率容差，并常常引发严重的电磁干扰 (EMI) 问题。为了克服典型电流模式驱动器的这一局限性，MCP19111 可以通过禁用电流环路切换到伪电压模式，从而提高输出电压和系统稳定性。
易用性和工具集：
MCP19111 拥有令人印象深刻的高级功能列表，为系统配置和优化提供了丰富的选项。该微控制器的开放式可编程性进一步增强了其灵活性。因此，Microchip 提供了如图 4 所示的图形用户界面 (GUI)，用户无需编写代码即可进行某些调整和配置。该 GUI 运行在开源固件上，用户可以对其进行修改，并将其用作开发更高级自定义功能的模板。
除了配置界面外，Microchip 还提供了第二个用于测试功能的 GUI，允许用户使用 PMbus 协议与设备建立直接通信（参见图 5）。该 GUI 可与 Microchip 的 PICkit 串行分析仪（部件号 DV164122）配合使用，PICkit 是一款低成本的通用 USB 转 UART/SPI/I²C 接口，可直接用于在设备运行期间对其进行监控和调试。
摘要：
尽管大多数技术已为人所知，现有器件也具备部分功能，但MCP19111系列器件的出现开启了智能开关模式稳压器发展的新篇章。其丰富的专用功能以及自由可编程性带来了显著优势。在智能功率控制器领域，MCP19111融合了模拟和数字控制方法，并通过向工程师开放所有功能，突破了现有器件的限制，从而为高性能、创新型、高效且可靠的POL转换器奠定了基础。
作者：
作者：Andy Reiter，Microchip Technology Inc.
安德烈亚斯·雷特， Microchip Technology公司
欧洲电力电子业务发展技术总监
安德烈亚斯·雷特出生于1973年，毕业于慕尼黑应用科技大学，主修医学工程和物理学。2000年起，他先后在自动化行业担任开发工程师和研发经理，2007年转而专注于电力电子应用领域，担任应用工程师。自2010年起，他一直在Microchip Technology Inc.负责电力电子应用中全数字控制方法和解决方案的应用导向型研发工作。.
