数字电源
随着电子设备的不断智能化和高性能化，高效可靠的电源解决方案的需求已越来越大，数字电源在市场上正越来越受到关注，并已广泛应用于各个不同的领域。
相比较于传统的模拟电源，数字电源具有高效率，高精度，高功率因素和高稳定性的特点，能够对电压，电流进行更加精确的调整，同时具有更好的动态响应和闭环控制的优点，从而在整体上来提高电源系统的效率，能够实现更高功率的输出并且同时满足客户产品的小型化要求。
下图针对传统的PFC结构电路和图腾柱PFC 的结构电路做对比，图腾柱PFC在效率上有大幅的提升。
新唐科技针对数字电源市场推出了专用的MCU 和成熟的参考方案，数字电源控制的MCU 与通用型MCU 有着显著的区别，数字电源控制MCU 对算力和可靠性要求更高，同时需要具备高精度的PWM和高速的ADC，从而实现从检测，反馈，运算，到实时控制的高速闭环控制系统。
MCU 产品特点
KM1M7CF 系列产品规格
参考方案：图腾柱 PFC
参考方案：2.5KW LLC
参考方案：矩阵式电源转换
来源：新唐MCU
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瑞萨RX家族中的RX-T系列主要应用于空调设备外机和工业逆变器，同时还具有适合于AC-DC转换器等电源控制的功能，并在UPS、功率转换器、EV充电器等电源控制场景中得到了广泛应用。
本期介绍的图腾柱交错式PFC是一种可实现AC-DC转换器必要功能的电路，可在各类电子设备将交流电源转换为直流电源，与基于普通二极管整流桥的整流电路+斩波电路PFC电路相比，图腾柱交错式PFC是一种效率更高的电路方式（通常，可降低40%左右的二极管整流桥整流电路损耗）。
虽然可以通过专用产品进行控制，但RX家族RX-T系列中的PWM定时器和模拟电路等，如下文中被称为“可控制图腾柱交错式PFC的RX-T系列内置功能”，可通过单个MCU进行控制。本功能非常适用于实现逆变器控制的功能，以及实现AC-DC转换器控制的功能。与专用IC相比，基于MCU的电源控制具有许多优点，包括通过软件控制的精准保护、控制的灵活性，还具有通过SCI等设备与其他IC协作等，使其具有较高的系统控制融合性的特点。
需要说明的是，本文介绍的用于控制图腾柱交错式PFC的MCU属于RX家族RX-T系列RX66T组产品，但也可以通过搭载以下功能（RX家族通用功能）的RX26T等产品来实现。
可控制图腾柱交错式PFC的RX-T系列内置功能
1、PWM输出计时器（MTU3，GPT）
2、12位A/D转换器（S12AD）
3、端口输出使能（用于PWM输出紧急停止）（POE3）
4、比较器（用于过流检测）（CMPC）
5、12位D/A转换器（用于比较器标准电压）（R12DA）
这些功能实现了如下图腾柱交错式PFC控制。
图腾柱交错式PFC配置
PWM输出定时器通过互补PWM对开关元件的Q1/Q2、Q3/Q4和Q5/Q6进行控制，12位A/D转换器用于反馈控制的电流/电压检测。作为故障控制的过电流控制配置为使用。
如下所示，电源效率最高可达95%以上，功率因数可达99%以上，性能与专用产品相当。此外，虽然功率半导体使用常用IGBT+二极管构成Q1至Q6，但如果使用高速开关SiC等元件，有希望进一步提高效率。
有NTC热敏电阻：
无NTC热敏电阻：
此外，如下响应测试结果表明（通过直流断路器实现负载0%⇒100%、50%⇒100%的测试），对负载变化进行反馈控制，使电压保持恒定，可作为AC-DC转换器正常工作。
作为逆变器控制应用，本期我为大家介绍了MCU电源控制（图腾柱交错式PFC）的可行性。除了AC-DC的PFC IC等专用产品外，我们还系列推出了具有较高系统控制融合性的MCU产品，增加了客户的可选项，做到物尽其用。我们将继续推出符合客户需求的优质产品，为客户的创新做出贡献。敬请期待瑞萨RX家族的进一步发展。
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有关RX-T系列的更多产品介绍，请复制以下链接到浏览器中打开查看：
有关本期介绍的图腾柱交错式PFC的更多信息，请复制以下链接到浏览器中打开查看Digital Power Conversion（Totem Pole Interleaved PFC）应用指南（R01AN6877）：
有关图腾柱PFC的常用系统配置，请复制以下链接到浏览器中打开查看相关成功产品组合网页：
https://www.renesas.cn/cn/zh/application/power-and-energy
来源：瑞萨电子
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作为使用RX单片机进行逆变器控制的应用，以UPS为例对基于MCU的电源控制可行性进行介绍。
RX-T系列主要应用于空调室外机和工业逆变器，在逆变器控制领域享有盛誉。近年来，还广泛用于UPS、太阳能逆变器和EV充电器等电源控制应用中。本次以UPS电源控制应用为例，对基于MCU实现的电源控制进行介绍。UPS是一种具有以下三大功能的设备，是表现MCU控制电源基础功能的最佳设备。
UPS功能
AC-DC转换器（以下简称AC-DC），包括将市电转换为直流电源的PFC
DC-DC转换器（以下简称DC-DC），用于将高压直流电源转换为低压直流电源，并充电到电池，或将低压直流电源的电池电源放电，并转换为高压直流电源
DC-AC逆变器（以下简称DC-AC），可将直流电源转换为交流电源，以支持电源插座连接型电子设备
这些电源控制是使用RX产品家族中的以下通用功能在一个MCU中实现的。虽然本次使用的MCU属于RX产品家族的RX66T系列，但是RX产品家族中，只要具有如下功能，也可以实现类似的或部分功能。例如RX72T、RX24T。
RX产品家族使用功能
PWM输出定时器（MTU3d，GPTW）
12位A/D转换器（S12ADH）
端口输出使能（用于PWM输出紧急停止）（POE3B）
比较器（用于过流检测）（CMPC）
12位D/A转换器（用于比较器参考电压）（R12DAb）
我们利用这些RX产品家族中的适合逆变器控制的功能，构建了以下电路方式的电源控制功能。
UPS电路
AC-DC
通过基于MTU3的互补PWM输出（载波频率60KHz）对电机控制设备中经常使用的电流连续模式交错配置PFC电路进行驱动，从而输出电流纹波较少的DC电源。
DC-DC
升压电路和降压电路相结合的斩波电路通过MTU3互补PWM；
输出（载波频率40KHz）进行驱动，从而无电压波动实施AC-DC电源充电至电池（降压模式）以及电池电源放电向DC-AC供电（升压模式）。
DC-AC
通过GPT互补PWM输出（载波频率20KHz）实现功率半导体的开关功能，从而使电机控制等类似的桥式电路产生110V@50Hz的正弦波。控制算法通过矢量控制输出无失真的正弦波。
将这些电路进行组合形成UPS，电源效率可高达98%以上，性能与专用产品相当。这使得除了AC-DC的PFC IC和DC-DC的功率IC等专用产品外，还可以实现基于MCU的电源控制产品，从而为客户提供更多的选择，做到适材适所。
本次为大家介绍了电源控制（UPS）作为逆变器控制应用的可行性。我们将继续推出符合客户需求的优质产品，为客户的创新事业添砖加瓦。敬请期待瑞萨RX产品家族的进一步发展。
更多资料
有关本次介绍的UPS的更多信息，请点击下方链接查看UPS应用指南：
有关RX66T的更多信息，请点击下方链接查看RX66T产品页：
RX66T样例程序，请点击下方链接进入官网下载页面：
https://www.renesas.cn/cn/zh/document/scd/rx66tgroup-digital-power-conversion-uninterruptible-power-system-ups-rev100（注册并登录瑞萨电子官网后即可下载）
来源：瑞萨电子
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✦ 本文来源友尚：
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随着科技的迅速发展，电子产品日新月异与半导体制程技术进步，电子产品逐渐要求体积小且效率高。过去线性电源(Linear Power Supply)设计使用较大的隔离变压器，其转换效率较低且产生较多的热，故需要体积较大的散热片，因而被开关电源取代。
开关电源(Switching Power Supply)取代线性电源，电源提升切换频率，可以有效缩小变压器与电感铁芯的体积、降低输入、输出电容的容值，并且效率较线性式电源高，因此开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点；一般开关电源采用传统硬式切换，功率晶体管操作频率增加时，功率晶体管的切换损失也随着增加，功率晶体管使用的散热片不仅体积变大并且使效率降低。
一般硬式切换(Hard Switching)是当功率晶体管在切换时，因为变压器一次侧谐振电感、线路杂散电感与功率晶体管的寄生电容，导致功率晶体管导通时，漏极－源极(Drain-Source)电压尚未降零，功率晶体管的漏极－源极电流已经开始上升，造成功率晶体管导通时的切换损失；功率晶体管截止时，功率晶体管的电压尚未降为零，功率晶体管的电流已经开始上升，造成功率晶体管截止时的切换损失，导通时功率晶体管之漏极－源极的电流快速上升产生电流突波，此电流突波可能导致功率晶体管烧毁，截止时功率晶体管的漏极－源极的电压快速上升产生电压突波，此电压突波可能导致功率晶体管烧毁，因此使用硬式切换造成功率晶体管须承受更大的切换突波(Switching Surge)以及切换损失，随着切换频率提升，电路整体的效率也会跟着下降。使用硬式切换会产生切换突波，也会造成噪声干扰误动作，导致功率晶体管稳定性与电路效率下降。
因此若采用柔性切换的技术，可大幅改善功率晶体管的切换损失。采用全桥相移式架构，利用电路隔离变压器一次侧漏感(Leakage Inductance)与外加谐振电感两者之和即为谐振电感与功率晶体管之寄生电容达到共振效果，使功率晶体管导通前其漏极－源极电压降为零，即为零电压切换，让电路整体效率提升。柔性切换中使用零电流切换即为功率晶体管截止时，功率晶体管的电流已经下降至零后其电压才开始上升，使功率晶体管上电压与电流的乘积为零，降低截止时之切换损失；零电压切换即为功率晶体管导通时，功率晶体管的电压已经下降至零后其电流才开始上升，使功率晶体管上电压与电流的乘积为零，降低导通时之切换损失。柔性切换技术可以降低硬式切换的切换损失，并抑制切换突波，降低电磁干扰，增加功率晶体管性能。
场景应用图
产品实体图
展示版照片
方案方块图
核心技术优势
STM32G4系列基于ST现有的高性能和高能效创新技术，例如，ART Accelerator™和CCM-SRAM Routine Booster分别提升了内存-高速缓存的动态和静态访存性能，确保应用整体性能和实时性能俱佳，同时功耗在能效预算范围内。ST的新硬件数学加速器再次提升芯片的运算性能，引入Filter-Math Accelerator（FMAC）滤波算法加速器和CORDIC专用引擎。新硬件加速器可以加快一些算法的指令周期，例如，电机控制应用中的旋转和向量三角法，以及一般的对数、双曲线和指数函数、信号处理IIR / FIR滤波算法或数字电源3p / 3z控制器，以及卷积和相关函数等向量函数。STM32G4系列基于一颗170MHz的Arm®Cortex®-M4高速内核，具有浮点单元和DSP扩展指令集支持功能，性能测试取得213DMIPS和550 CoreMark®[1]的优异成绩。从先进的工艺技术和系统架构功能，到先进的外设睡眠/唤醒管理功能，节能创新技术无处不在。
其它重要的新功能包括：
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一个高分辨率定时器，有12个独立信道，每个信道分辨率为184ps，有温漂和电压漂移自补偿功能
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多达25个先进模拟外设：
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多达5个400万次/秒12位模数转换器（ADC），有硬件过采样功能，可实现16位分辨率
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多达6个高速、高增益带宽运算放大器，内部1％增益设定
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多达7个1500万次/秒12位数模转换器（DAC）
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多达7个比较器，传播延迟为16.7ns
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CAN-FD工业通讯技术，有效载荷比特率是标准CAN的8倍
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运行模式功耗低于165μA/ MHz，延长电池续航时间
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容量更大的片上RAM，高达128KB，有同位功能
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闪存容量高达512KB，有错误校验功能（ECC）
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增加DMA和外部中断的灵活可变性
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为优化数字或模拟功能，分为三大产品系列：基本系列、增强系列和高分辨率系列
因此，新G4系列完善了现有的STM32F3系列。G4的性能是F3的三倍，最高工作温度达到125°C，双存储内存支持实时固件升级，增加LQFP80和LQFP128等新封装。STM32G4稳健性很强，抗电气干扰，特别是快速瞬态脉冲（FTB）耐受能力最高达到5KV。
方案规格
1、Input Voltage: 400V；
2、Output Voltage: 12V;
3、Output Power: 500W;
4、Maximum Output Current: 42A;
5、Switching Frequency: 100kHz.
来源：STM32
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意法半导体的STEVAL-NRG011TV评估板可帮助设计人员为LED 和 OLED 电视快速开发200W 数字电源和适配器，能效和待机能耗满足严格的法规要求。
STEVAL-NRG011TV基于意法半导体的STNRG011数字PFC（功率因数校正器）和谐振 LLC 功率变换器，采用经过验证的且可靠的拓扑结构，能够配置和优调运行参数，获得优秀的电源性能。数字控制算法永久固化在电源控制器的 ROM内存中，无需写代码。在电路板的可编程非易失性存储器 (NVM)内存有一整套采样参数。
STEVAL-NRG011TV为电视控制器和音频子系统提供 12V/4A 稳压电源，并为LED 背光提供 65V/2.5A 电源。90V 到 264V 的宽交流输入电压允许该电路板用于全球销售的电源和适配器。能效超越了当今严格的生态设计规范，在115V 和 230V AC 时满载能效超过 91%，空载耗电量低于 120mW。
作为电路板的主芯片，STNRG011 为设计有功率因数校正的高效功率变换器提供了一个高集成度解决方案。片上集成一个 8 位 CPU 子系统、控制逻辑（包括 PFC 和 LLC 事件驱动状态机 (SMED)）、模数转换器 (ADC)、高压启动电路、电源管理和保护模块。一个两线接口负责处理芯片与外部 EEPROM存储器的通信，以及远程监控和软件更新。该器件采用 20 引脚 SO20 电源封装，有助于简化电路板布局，降低电源尺寸。
STEVAL-NRG011TV评估板现已上市。STNRG011芯片现已量产。
详情访问www.st.com/resonantcontrollers。
关于意法半导体
意法半导体拥有46,000名半导体技术的创造者和创新者，掌握半导体供应链和先进的制造设备。作为一家独立的半导体设备制造商，意法半导体与十万余客户、数千名合作伙伴一起研发产品和解决方案，共同构建生态系统，帮助他们更好地应对各种挑战和新机遇，满足世界对可持续发展的更高需求。意法半导体的技术让人们的出行更智能，电力和能源管理更高效，物联网和5G技术应用更广泛。详情请浏览意法半导体公司网站：www.st.com。
与碳化硅 (SiC)FET 和硅基FET 相比，氮化镓 (GaN) 场效应晶体管 (FET) 可显著降低开关损耗和提高功率密度。这些特性对于数字电源转换器等高开关频率应用大有裨益，可帮助减小磁性元件的尺寸。
电力电子行业的设计人员需要采用新的技术和方法来提高GaN 系统的性能，在利用GaN 技术开发现代电源转换系统时，C2000™ 实时微控制器 (MCU) 可帮助应对各种设计挑战。
C2000™ 实时MCU 的优点
C2000™ MCU 等数字控制器具有出色的适用性，适合各种复杂的拓扑和控制算法，例如零电压开关、零电流开关或采用混合磁滞控制的电感器-电感器-电容器 (LLC) 谐振直流/直流电源。
C2000™ MCU 可提供以下优势：
· 复杂的时间关键型计算处理。C2000™ MCU 拥有高级指令集，可显著减少复杂数学计算所需的周期数。计算时间减少后，可以在不增加MCU 工作频率的情况下提高控制环路频率。
· 精确控制。C2000™ MCU 中的高分辨率脉宽调制器 (PWM) 可提供 150ps的分辨率，而且内置的模拟比较器和可配置逻辑块 (CLB) 有助于安全处理出现的各种错误情况。
· 软件和外设可扩展性。随着系统要求的变化，C2000™ 平台支持向上或向下扩展实时MCU 功能，同时保持软件投入，从而减少软件投入加快产品上市速度。例如， TMS320F280029C 等低成本C2000™ MCU 可在小型服务器电源中实现实时处理和控制；而TMS320F28379D 是高频率多相系统中的常用器件。但TMS320F28379D 保持了和TMS320F280029代码的兼容性。
使用C2000™ MCU 应对GaN 开关挑战
如前所述，实现更高的开关频率可减小开关转换器中磁性元件的尺寸，但同时这会带来许多控制方面的挑战。例如，在图腾柱功率因数校正 (Totem-pole PFC) 拓扑中，减小电感器的尺寸不仅会导致零交叉点处的电流尖峰增加，还会增加死区引起的第三象限损耗，这些影响综合起来会增加总谐波失真 (THD) 并降低效率。
为解决上述问题，C2000™ 实时MCU 通过功能丰富的PWM 启用软启动算法，从而消除电流尖峰并改善THD。C2000™ MCU还拥有扩展的指令集、浮点运算单元 (FPU) 和三角函数加速器 (TMU)，进而显著降低PWM导通时间等参数的计算时间。计算时间减少还可提高控制环路频率，再结合PWM的150ps分辨率，可帮助降低第三象限损耗。
使用TI GaN 技术连接C2000™ MCU
如图1所示，C2000™ MCU、数字隔离器件和GaN FET 都是器件连接中必不可少的一部分。
增强型数字隔离器可帮助抑制瞬态噪声并保护C2000™ MCU。C2000™ MCU 无需外部逻辑器件，利用其高分辨率 PWM、可配置逻辑块和增强型捕捉模块实现GaN FET 的安全性、温度和错误报告等所有功能，从而提供精确的控制输出。600V GaN FET 中的集成驱动器可减少由感应振铃导致的系统设计问题。综合使用这些器件便无需增加额外的外部元件，因而可降低总体成本。
结束语
TI C2000™ 实时MCU和GaN FET协调工作，可为现代数字电源系统提供灵活而简单的解决方案，同时也提供了先进的功能来实现高功率密度且高效的数字电源系统。我们的参考设计都经过全面测试并附有完善的文档说明，可帮助加速高效且高功率密度的数字电源系统的开发进程。
本文转载自：德州仪器（作者：Cody Watkins）
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