傳統(tǒng)的微控制器，受成本和功耗等因素的限制，很難在50W?1kW級(jí)電源中實(shí)際應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)。ROHM的LogiCoA?通過采用混合型且基于事件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，成功攻克了這一難題。而且，該產(chǎn)品還具備校準(zhǔn)功能、日志采集功能及軟件靈活性，可實(shí)現(xiàn)高效且可擴(kuò)展的電源解決方案。

前言

電力電子領(lǐng)域正經(jīng)歷著日新月異的發(fā)展，對(duì)更智能、更高效且可擴(kuò)展的電源解決方案的需求與日俱增。數(shù)字控制是滿足這些需求的有效手段，但傳統(tǒng)的微控制器因成本和功耗等方面的問題，一直很難在50W?1kW的中小功率范圍得到廣泛應(yīng)用。因此，這一范圍仍以模擬控制為主，這雖然有成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，但在功能方面還存在局限性。 本文將介紹ROHM的Logic and Control Architecture（LogiCoA?）是如何攻克這一長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題的。通過將模擬技術(shù)的高效性與數(shù)字技術(shù)的靈活性融合在一起，LogiCoA?使得在工業(yè)設(shè)備主流市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高級(jí)數(shù)字控制成為現(xiàn)實(shí)。在接下來的內(nèi)容中，我們將詳細(xì)闡述現(xiàn)有解決方案的局限性、LogiCoA?混合方案及其在成本效益、性能表現(xiàn)及設(shè)計(jì)靈活性方面開創(chuàng)的新可能性。

在50W?1kW電源轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用數(shù)字控制所面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字控制電源用的微控制器本身并非新技術(shù)，很多半導(dǎo)體制造商早已開始提供相關(guān)解決方案，并已應(yīng)用在各種應(yīng)用場(chǎng)景中。然而，LogiCoA?之所以與眾不同，在于它針對(duì)傳統(tǒng)微控制器無法解決的根本問題采取了創(chuàng)新性的解決方法。 一直以來的課題是現(xiàn)有的數(shù)字控制微控制器不僅價(jià)格高，功耗也很大。因此，目前其主要用途僅限于超過1kW的大功率工業(yè)電源系統(tǒng)領(lǐng)域，而在50W?1kW的中小功率范圍（主流市場(chǎng)）仍難以普及。

圖1：工業(yè)設(shè)備電源系統(tǒng)中的功率控制方式細(xì)分

在中小功率電源系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)字控制電源特有的高級(jí)功能的應(yīng)用需求非常強(qiáng)烈。然而，受成本和功耗等問題的影響，數(shù)字控制電源的導(dǎo)入仍處于審慎推進(jìn)階段。

圖2：模擬控制依賴于低成本、低功耗的獨(dú)立元器件，在功能方面卻存在局限性。而數(shù)字控制雖能實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能，但因需要高速微控制器而導(dǎo)致成本和功耗更高

表1：模擬控制電源與數(shù)字控制電源的特點(diǎn)比較

PWM控制回路的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字控制電源用的微控制器在成本和功耗方面存在的課題，LogiCoA?通過采用模數(shù)混合技術(shù)成功解決了這一課題。
在常規(guī)的數(shù)字控制電源中，通常采用A-D轉(zhuǎn)換器和CPU/DSP來構(gòu)建PWM控制回路。為將該控制回路內(nèi)的延遲時(shí)間控制得更小，高速A-D轉(zhuǎn)換器及高性能CPU/DSP是必不可少的器件。 然而，這正是導(dǎo)致成本高和功耗大的主要原因。

圖3：采用了LogiCoA?的電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

PWM控制的處理由內(nèi)置比較器和定時(shí)器構(gòu)成的模數(shù)PWM控制電路執(zhí)行。通過將模擬補(bǔ)償電路輸入的模擬信號(hào)作為觸發(fā)來驅(qū)動(dòng)高分辨率定時(shí)器，無需經(jīng)由CPU即可對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行逐時(shí)鐘周期控制。像這樣以模擬補(bǔ)償電路的信號(hào)輸入作為觸發(fā)條件來啟動(dòng)控制的方式，被稱為“事件驅(qū)動(dòng)”。 優(yōu)化PWM控制回路的結(jié)構(gòu)所取得的效果非常好，與采用傳統(tǒng)數(shù)字控制用微控制器的方案相比，成本可降低至約1/3?1/4，功耗可降至約1/30。這一突破性進(jìn)展使得中小功率范圍（50W～1kW）的工業(yè)設(shè)備也得以實(shí)際應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)。

配備日志功能和校準(zhǔn)功能

LogiCoA?芯片內(nèi)部?jī)?nèi)置了CPU，采用的是ROHM自有的設(shè)計(jì)方法——將CPU從實(shí)時(shí)PWM控制回路的運(yùn)算中剝離出來。CPU在后臺(tái)運(yùn)行，基于用戶自定義的軟件例程處理電源啟停、輸入輸出監(jiān)控、電流檢測(cè)以及外部通信管理等任務(wù)。利用該架構(gòu)，可提高效率，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制電源特有的高級(jí)功能。
其首要優(yōu)勢(shì)在于靈活性——通過變更軟件即可適配各種電源拓?fù)洹Ｍǔ６裕M控制電源IC僅適配特定的拓?fù)?，電源制造商需要為不同的?yīng)用場(chǎng)景準(zhǔn)備大量不同型號(hào)的產(chǎn)品，而這會(huì)導(dǎo)致庫(kù)存管理負(fù)擔(dān)加重。不過，通過使用LogiCoA?，僅用1枚器件即可適配多種拓?fù)洌纱蟠缶徑鈳?kù)存管理壓力。

圖4：利用控制用的PC對(duì)LogiCoA? MCU采集的日志數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可監(jiān)控應(yīng)用產(chǎn)品及電源單元的運(yùn)行情況

其另一重要特點(diǎn)是通過校準(zhǔn)功能可對(duì)電路元器件進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。電源系統(tǒng)中使用的IC、功率元器件、變壓器等電路元器件，特性值通常會(huì)存在一定波動(dòng)。因此，在電路設(shè)計(jì)中需要針對(duì)各元器件的額定值預(yù)留充分的裕度，而這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的體積變大，并需要具備更高的耐壓能力，從而造成電源系統(tǒng)整體的尺寸和成本增加。 然而，通過利用LogiCoA?的校準(zhǔn)功能，可以糾正這些波動(dòng)，將誤差幅度控制在更小范圍內(nèi)，從而可實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的小型化并降低成本。

ROHM RMOS的實(shí)時(shí)功率控制

LogiCoA?的軟件部分由ROHM自主研發(fā)的實(shí)時(shí)OS“RMOS（Real-time Micro Operating System）”提供支持，并免費(fèi)向用戶開放。RMOS支持兩組“狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊”，可同時(shí)控制PFC電路和DC-DC轉(zhuǎn)換器，也可同時(shí)控制兩個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器。 為便于用戶開發(fā)，ROHM還提供適配多種拓?fù)涞氖纠a，可通過基于Excel的工具輕松設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。

總結(jié)

LogiCoA?架構(gòu)是數(shù)字控制電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破性技術(shù)。通過將實(shí)時(shí)PWM控制交由模數(shù)混合電路處理，使CPU資源得以專注于后臺(tái)處理，從而在不影響功能性的前提下，大大降低成本和功耗。 而且，通過拓?fù)渲貥?gòu)功能、校準(zhǔn)和日志采集等功能，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能提升、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化以及產(chǎn)品的小型化。

圖5：LogiCoA?解決方案由核心的LogiCoA? MCU以及根據(jù)電源拓?fù)渑渲玫腞OHM各種元器件構(gòu)成。通過與ROHM的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)“RMOS”及全球化專屬支持體系相結(jié)合，LogiCoA?為50W?1kW這一重要功率范圍開辟了數(shù)字控制全新實(shí)用路徑。這種混合式方法彌合了模擬控制與數(shù)字控制之間的鴻溝，為可擴(kuò)展、高效率且智能化的電源管理樹立了新標(biāo)準(zhǔn)