数字电源
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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简单的引脚可配置数字模块为高性能的FPGA、DSP、ASIC和存储器提供了最高的功率密度和效率
全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社（TSE：6723）今日宣布，推出新型全塑封型数字 DC/DC PMBus™ 电源模块系列。五款RAA210xxx 简单数字电源模块提供了先进的数字通讯和监测功能，与瑞萨电子的模拟电源模块一样简单易用。这些产品是完全的降压稳压电源，可提供 25A、33A、双 25A、50A 和 70A 的输出电流，同时可在业界标准的 12V 或 5V 输入电源下运行。RAA210xxx 系列为服务器、存储、光网络和电信设备中使用的高性能 FPGA、DSP、ASIC 和存储器提供负载侧 ( POL ) 直接供电。每个模块器件都采用了散热最优化的高密度集成 ( HDA ) 封装，并高度集成了 PWM 控制器、MOSFET、电感器和无源器件。简化的模块应用只需配备输入和输出大容量电容器即可完成完整电源设计。
RAA210xxx 是一个成本更优化、应用更简单的数字电源模块系列，与瑞萨电子全功能数字 ISL827xM 系列的引脚兼容。RAA210xxx 简单数字电源模块提供运行时的数字可编程功能，可通过 PMBus 系列命令进行配置更改，并支持完整的数字通讯和系统监控。如果在使用中需要更高性能的数字控制功能，用户可以升级到引脚兼容的 ISL827xM 模块，轻松实现完全数字控制功能，包括多个模块并联的电流共享，通过 PowerNavigator™ 工具访问设置所有 PMBus 命令，以及针对客户专门应用进行完全功能设置并存储在模块非易失性内存内。
瑞萨电子工业模拟和电源业务部副总裁 Philip Chesley 表示：“ 我们的简单数字电源模块可加快设计团队将产品推向市场的速度，因为这些团队需要更易于使用、成本更低的数字电源解决方案。 RAA210xxx 简单数字电源产品延续了瑞萨电子在功率密度、高效率和快速瞬态性能方面的领先地位，可满足苛刻的多路输出 POL 要求。”
RAA210xxx 系列专有的 HDA 封装通过单层导电封装基板有效地将热量从模块传输到系统板卡，并在不需要风扇或散热器的情况下进行散热，从而提供出色的全负载电气和热性能。HDA 的高功率密度封装完全解决了系统板卡空间受限的问题，这是分立器件方案无法实现的。RAA210xxx 简单数字电源模块采用瑞萨电子专利保护的 ChargeMode™ 控制架构，可实现高达 96% 的峰值效率，而在大多数情况下的效率都高于 90% 。先进的控制结构利用了单时钟周期矫正技术实现了电流负载变化下的快速瞬态响应，从而降低电容并节省成本和系统板卡空间。
RAA210xxx 简单数字电源模块的关键特性
• 25A - 70A 的输出电流
• 宽输入电压范围：4.5V - 14V
• 可编程输出电压范围：0.6V - 5V
• 在不同输入、负载和温度范围内实现 ± 1.2% 的输出电压精度
• ChargeMode 控制环路结构
• 296kHz - 1.06MHz 的可选择开关频率选项
• 无论温度、震动或老化引起的输出电容变化，简单无需补偿的设计都能保证模块的稳定运行
• 完成输入和输出欠压 ( UV )、过压 ( OV )、输出电流和温度保护并可进行故障记录
电源设计人员可将 RAA210xxx 简单数字电源模块与 3A ISL8203M、5A ISL8205M 和15A ISL8215M 模拟电源模块以及瑞萨电子低压差稳压器 ( LDO ) 结合，以支持嵌入式应用中的辅助电源设计。
电源设计工具
PowerCompass™工具可帮助用户快速识别符合其特定要求的合适电源模块和其他部件。 可为超过 200 个 FPGA 设置多个电源配置，这样，设计人员能够在几分钟内执行高级系统分析，并生成定制参考设计文件。PowerNavigator TM工具允许设计人员对简单的数字电源模块进行排序、通讯和实时配置。
定价和上市
RAA210xxx 简单数字电源模块和评估板现在都可以从瑞萨电子的全球分销商处购买。1000 件批量时，产品单价从25 安培 RAA210825 模块的18.38 美元至 70 安培 RAA210870 模块的 51.75 美元。欲了解详情，请访问：www.renesas.com/simple-digital-power-modules。
AVCC：模拟部分电源供电；AGND：模拟地
DVCC：数字部分电源供电；DGND：数字地
这样区分是为了将数字部分和模拟部分隔离开，减小数字部分带给模拟电路部分的干扰。但这两部分不可能完全隔离开，数字部分和模拟部分之间是有连接的所以，在供电时至少地应该是在一起的，所以 AGND和DGND之间要用0欧姆的电阻或磁珠或电感连接起来，这样的一点连接就能够减小干扰。同样，如果两部分的供电电源相同也应该采用这样的接法。
在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性 的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。
形成干扰的基本要素有三个：
（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。
（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC， 弱信号放大器等。
抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的 抗干扰性能。
1 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优 先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
抑制干扰源的常用措施如下：
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加 续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。
（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。
（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的 影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和 有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰 噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大， 要特别注意处理。
所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。 一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。
2 切断干扰传播路径的常用措施如下：
（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感, 要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替 磁珠。
（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。 控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波 电路）。
（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。
（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源 （如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。
（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片 引脚排列时已考虑此要求。
（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。 大功率器件尽可能放在电路板边缘。
（7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件 如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。
3 提高敏感器件的抗干扰性能
- 提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。
- 提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：
（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦 合噪声。
（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置 端在不改变系统 逻辑的情况下接地或接电源。
（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045 等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字 电路。
（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。
为了达到很好的抗干扰，于是我们常看到PCB板上有地分割的布线方式。但是也不是所有的数字电路和模拟电路混合都一定要进行地平面分割。因为这样分割是为了降低噪声的干扰。
理论：在数字电路中一般的频率会比模拟电路中的频率要高，而且它们本身的信号会跟地平面形成一个回流（因为在信号传输中，铜线与铜线之间存在着各种各样 的电感和分布电容），如果我们把地线混合在一起，那么这个回流就会在数字和模拟电路中相互串扰。而我们分开就是让它们只在自己本身内部形成一个回流。它们 之间只用一个零欧电阻或是磁珠连接起来就是因为原来它们就是同一个物理意义的地，现在布线把它们分开了，最后还应该把它们连接起来。
转自： feel8068588的专栏
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