電源不再那麼硬! 淺談混和式電源Hybrid Power Converter

電力對現今的世界是不可或缺，所有的電器設備都需要電，從發電廠產生交流電力經由配電網到人們生活的區域，而生活中使用到各式各樣的電器，舉凡 : 電燈、冰箱、電腦、手機、電視...等等，電器使用會有電壓與電流的不同應用需求規格，需要Power Converter (電源轉換器)來調節出適當電壓跟電流才能讓電器穩定工作，想像一下，電能如水流一般，而穩定的調節水溫與水量，讓每個裝置都能得到合適的能量補給，而隨之社會科技進步進而對於環保綠能、高速網路、電動車發展、對各種電能轉換的需求日新月異，Power Converter的效能需求也朝著更高效率轉換、主動狀態回報、節能管理、以及靈活調整性，多重組合的附加功能將會是未來的新設計方向。

Power Converter發展由類比架構出發，其主要構成區塊 可分為Power Stage (功率級)，Error Amplifier (誤差放大器)，Compensator (補償器)，PWM Generator (脈波寬度調變Pulse-Width Modulation, PWM產生器)。 類比IC的功能基本上是固定的，Power Topology (電源拓譜) 如降壓型 \ 昇壓型、回授誤差放大器的Vref (參考電壓)、PWM產生器的操作頻率、保護機制 等等，Power Converter設計上就會需要依不同產品應用來挑選不同的類比電源IC，而終端客戶需求規格越多越複雜的話 BOM(Bill of Material) 零件上的物料清單也會隨之龐大。

電源轉換主要功能是調節出穩定的電能，這其中就探討到Control System(控制系統)的差別，大致可分為Analog類比型/Digital數位型/Hybrid混和型，此次介紹的系統為混和型電源控制。

那混和式電源又是什麼東西呢，基本上就是使用帶有豐富CIP(Core Independent Peripherals)獨立於核心功能週邊的MCU(Micro Control Unit)微控制器來完成電源轉換控制的工作，CIP週邊就像類比IC內部區塊一樣是硬體工作，MCU本身就是可程式規劃，這樣的好處是帶有類比控制的反應速度、保護功能與數位控制的靈活性設定，集成為一種類比增強的混合式電源IC。

那如何來完成混合式電源控制器的設計呢？ 如圖三如示，為升壓型LED 驅動IC範例，我們可以先參考一個類比電源IC內部結構，主要硬體功能週邊包含有Error Amplifier(誤差放大器)、Comparator(比較器)、Ramp Generator(斜坡產生器)、PWM Generator(脈波寬度調變產生器)、SR Flip Flop Output Control (正反器鎖存輸出控制)。

接著利用設定CIP功能週邊來一步一步建立與類比IC對應的硬體結構，並在這樣的設定過程中也會更理解各週邊代表的意義。

依設計的流程，首先設定一個Operational Amplifier(運算放大器)作為訊號回授的處理。

而運算放大器要設置為誤差放大器則須再加入對應的Vref參考電壓值，利用Fix Voltage Reference (FVR) 參考電壓源與Digital to Analog Converter (DAC，數位類比轉換器)的配置來設定出精準的Vref 參考電壓。

回授信號進入誤差放大器處理之後產生的控制命令值仍是一個類比電壓，這時候會需要比較器來與電感電流回授做比較，進而產生觸發脈衝信號。

從比較器輸出的脈衝觸發信號會是要送到正反器鎖存輸出控制週邊，在CIP裡面是叫Complementary Output Generator (COG，互補式輸出產生器)，此週邊能設定不同的正端觸發源與負端觸發源來達成PWM Duty責任週期控制。

接著來設定斜坡產生器，此週邊的功能又是什麼呢？主要是在電流模式控制操作時當Duty > 50% 會有次諧波震盪問題產生，注入斜坡補償信號能夠讓震盪問題得到改善，Programmable Ramp Generator (PRG，可規劃性斜坡產生器)則能滿足這個功能。

最後是PWM 產生器，電源轉換操作的切換頻率和Duty限制都能由這個模組來設定，PWM信號設定也連接到COG與PRG來提供觸發時脈。

以上這些動作設定好就產生了一個穩定工作的電源控制處理核心，接著來驗證時序動作是否如目標設定一樣，如圖十所示，最終的COG輸出已完成電流模式回授觸發控制和保護機制的動作。

Microchip對於開發環境提供許多方便的使用者友善套件，其中的MPLAB Code Configurator (MCC)為能夠快速建立MCU系統設置與週邊功能模組的套件。
另外針對電源核心的結構設定，則提供SMPS Library圖形化介面工具，選項則有Topology拓撲層級、Control Modes控制模式、CIP Models功能模型、Peripheral Drivers個別週邊建立，從一鍵完成到細部設定一次滿足。

在理解各個硬體模組的細節之後，那可以思考一下，原本常使用的類比電源IC有哪些不太足夠或是想要加入的功能，例如：輸出與輸入保護點、啟動與控制時序調整、數值的讀取與監控…等等，這些功能都還能額外利用MCU的程式規劃能力來補強。

舉例，在LED電流控制的應用，光的亮度調整會是經常使用到的功能。如圖十三所示，一般類比LED驅動IC 在調光訊號 從低亮度到高亮度的瞬間會有電流突波的情形發生，就會有高亮度閃爍進而影響LED壽命，而這主要是回授放大器系統與電阻電容元件連續積分信號效應所導致。另外從高亮度到低亮度的調整，電流會因為輸出電容放電緩慢產生LED色偏現象。

混合式電源就可以利用程式規劃去設計增強電流控制的功能，在低亮度與高亮度的轉換區間，將OPA的輸出腳與補償器電阻電容的接續狀態做改變，就能抑制電流突波的狀況，而從高亮度切換到低亮度時，利用IO腳和控制開關的搭配去釋放LED上的額外電流，改善色偏現象。

CIP功能週邊就如同積木一般，能夠拼湊成經典的類比結構，再進而想像成是一種自己設計類比電源IC的概念，加入創意進而來堆疊出客製化且符合需求的功能。

而另一層面的思維，許多應用規格需求差異可能不大，但卻有著多樣化的特性，像是電池充電器產品，因為電池電芯材料的不同，像是鉛酸、鋰離子、磷酸鐵鋰等等，所需要的充電電壓與電流方式也皆不同，若以類比IC方案設計，則不同的規格需要挑選不同類比IC方案， 混合式電源則有著硬體設計平台化優勢，透過不同版本的程式功能規劃來滿足多樣的規格，而簡化元件選擇與備料流程。

再者，MCU控制器也能利用各式有線及無線通訊界面，連接網路進而達成物聯網電源應用，又或是結合Crypto加解密認證週邊方案，讓產品本身能夠防止被破解抄襲，如以電池充電器應用，非原廠電池就無法通過認證及充電，提升安全性，各式各樣的設計巧思都能來嘗試結合在實際銷售的產品上，讓電源設計不再這麼硬。

1. Microchip, www.Microchip.com
2. Microchip RTC POW002
3. Microchip RTC POW003