Fionn Sheerin

电源转换应用无处不在。小到使用升压转换器调节纽扣电池(电量逐渐减小)电压的便携式设备,大到进行大量冗余AC-DC转换的蜂窝基站:一切都需要电力。业界对数字电源的讨论有很多;例如,将电源转换移至软件,最终用相应软件替代我们所有的电源硬件。现实情况要复杂得多,动态性也要差得多。大多数电源转换是(并将始终)在专用硬件中实现的。不过,随着数字信号处理器(DSP)和数字配置控制器的功能越来越强大,对于精明的设计人员而言,可供其使用的选项和电源转换功能也越来越多,更何况设计人员都不惧在固件编译器方面挑战一番。最大的问题是时机;何时在设计过程中增加固件是值得的,何时使用传统的模拟电源转换更好?答案与其所涵盖的电源转换一样,是不固定的。目前推动数字电源转换投资的主要因素有四个:报告、可靠性、动态负载管理和总拥有成本。

数据报告功能是数字化电源的主要优势之一。在许多系统中,了解处理器负载电流、电池电压或功率大小是有利的。这些信息可用于节制风扇速度、管理系统冷却或向用户报告状态。在生成或获取应用程序时,该功能可以向中央系统报告本地发电情况,或在耗电情况下报告所需电能——这两种情况均可使总体系统更为高效。今天,几乎所有的备用电池或电池电源都使用某种形式的电量计量。在高性能计算应用中,用户可能希望看到系统电压恰好能够使微处理器超频,或者数据中心可能只是想要监测其(实质)电源预算花费在哪些方面。准确的电压报告比较常见,但准确的电流或准确的功率报告则比较困难。后两者均需要良好的测量电路,通常围绕系统中某处的模数转换器构建。此外,无论是采用I2C(TM)、SMBus(TM)、PMBus(TM)、智能电池、SPI还是任何其他方法(标准或专有),都需要报告测量数据。这种测量和报告需要数字电路,但实际上并不需要数字化的控制回路,因此可单独实现,即使用监控电路(可能使用PIC12F18xx系列单片机)来监控模拟电压转换器。电压转换也可以在PIC® MCU的独立于内核的外设(CIP)中完成,或者使用内置MCU(例如MCP19xxx系列器件)的单片式模拟控制来完成。这些方法均可以实现数字报告,而且不需要数字控制回路,这通常可加快系统设计。有了此类系统,为进行报告而添加一定级别的数字电路就变得很容易,并且可以围绕模拟电源构建。

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图1:模拟电源的数字管理实现该方法比真正的数字控制回路更容易实现,同时还具备数字电源的众多优势。使用现代控制器时,您会发现这些模块集成在一个IC(例如MCP19119)中。

报告可提高系统的可靠性。硬件现在可以监视异常行为,并进行通告,可在导致硬件故障之前检测到问题。这样一来,便可延长数据中心等高可靠性系统的正常运行时间。此外,还可使用数字控制回路进一步提高可靠性。模拟控制回路的补偿取决于随时间发生偏移的无源模拟组件。数字计算始终是相同的。不过,更大的优势在于能够处理故障和错误。与纯模拟控制电路相比,智能固件能够采取更多措施来减轻或标记有问题的情况。更重要的是,它可以响应这些错误。这可能意味着切换到冗余电源,或通知系统操作员设备需要修理。在系统层面上,这可以显著提高可靠性。

使用数字通信接口时,应用程序还能够接收数字命令。这可以实现更精细的负载管理。自适应电压调整、电压裕度调整,甚至仅仅是复杂的负载都需要具备对电源操作进行动态调整的能力。这些可以通过PMBusä标准或智能电池协议等标准化命令来实现;也可以通过I2C或SPI接口的专有命令实现。也可以根据环境温度、输入电压或负载功率变化等环境测量值进行操作更改——无需任何外部通信。如果纯模拟电源检测到掉电并锁定处理器电源,则数字控制器可能会降低输出电压,向处理器发出减慢速度的信号,然后减速处理,直到输入恢复(缓慢的响应优于无响应)。系统也可以实时调整工作频率,提高各负载条件下的效率,同时仍保持固定频率操作的优势。与数据报告类似,这些都是数字电路的典型应用,但是(取决于所需的确切性能变化)它们并不总是需要数字电源控制。例如,Microchip的MIC24045模拟电源控制器可以使用I2C接口进行管理。除此之外,该器件可以动态调整输出电压或电流限值以适应不断变化的要求。

最终决定通常取决于能否能降低总拥有成本。如果因数字电源所带来的优势降低的总拥有成本高于所增加的系统成本(就开发时间和硬件而言),则数字电源明显胜出。随着数字控制变得越来越普遍,更优异的设计工具使得数字控制设计变得越来越容易,数字控制变得越来越便宜和轻松。Microchip的软件支持套件包括用于配置MCU的Microchip代码配置器的图形界面,以及用于生成代码以仿真可轻松实现闭环的极点-零点放置的数字电源控制工具。这减少了创建数字电源控制所需的投资,数字解决方案在越来越多的应用中起到关键作用。与此同时,随着数字信号处理器速度的提高,瞬态响应和操作变化也越来越快。通过不断调整电源操作以适应当前的负载条件和温度,数字电源可以在各种负载条件下保持较高的平均效率。这种效率优势直接转化为发电应用(例如太阳能逆变器)的利润,也可以降低耗电应用(例如数据中心或基站)的开销成本。

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图2:模拟和数字控制回路实现对比(框图层面)。如果电源满足应用需求,用户始终不会了解其中的差别。

无论控制回路是模拟的还是数字的,只要其正常工作,用户便不会了解其中的差别。如果应用优势不存在,则使用数字控制回路或数字化控制器可能是没有意义的。在这些情况下,有许多模拟电源解决方案可以满足电路更小巧、更易于实现的应用要求。电源模块(包含硅控制器、功率MOSFET和磁性元件的集成封装)正在提供振奋人心的集成选项,几乎完全省去了电源设计工作。例如,MIC45404模块只需使用两个外部电容即可执行12V至3.3V的转换,输出电流高达5A。与数字电源解决方案相比,这是一种非常精确的电源转换,而所需的惟一设计工作是电路板布线。在许多应用中,这种简单的方法将有助于产品更快上市,同时还能提供有效的DC-DC转换。

能力越大,责任越大。与先前的模拟产品相比,数字控制回路,带数字接口的混合PWM控制器或基于CIP的单片机解决方案均可以实现更多的配置。这为设计提供了更大的灵活性,但是它要求系统设计人员花时间编写固件来配置相应的附加参数。在许多情况下,结果是值得的——但模拟控制将始终是电源转换的主要方案。

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可穿戴设备改变了我们的生活和感知体验,它是人体内外信息交互的平台。

上一期,小编给大家推荐了《超低功耗(ULP)互连式可穿戴活动监测器演示》。今日要推荐的视频还是与可穿戴应用相关,一起来看一看吧!

本视频将介绍Microchip的单芯片可穿戴心率监测器演示板。Microchip的反射式心率监测器演示板为大家展示了如何仅使用单个8位MCU芯片来测量心率。此演示板采用Microchip专有的相分多路复用技术,可同时测量多个信号,且不会产生任何串扰。

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作者:Graham Mostyn

几乎每个电子器件都需要一个时钟源。例如,单片机(MCU)使用振荡器来前进到下一条指令,无线电需要通过精确的振荡器来将射频信号混合到基带中加以处理。

智能联网设备的出现对时钟性能提出了更高的要求。本文解释了设计师如何在应对这些挑战的同时降低技术风险、缩短设计时间以及削减物料清单。我们着眼于采用石英和基于MEMS的技术的石英晶体、石英晶振(XO)和高度集成的时钟解决方案。

智能联网设备需要复杂的时钟树

MCU通常包括用于非精密计算应用的内部RC移相振荡器。这些振荡器使用集成的电阻-电容对来创建控制振荡器频率的时间常数。此类振荡器具有大约1%的精度并且表现出高抖动(在时钟转换的时序中会出现意外的随机波动)。 它们适用于不注重转换时序的应用,例如为计算用MCU提供时钟以及驱动一个简单的七段数字液晶显示屏(LCD)。显示屏需要多个时钟波形,但转换时序容差为几毫秒。此外,也可实现高达几Mbps的UART通信,这种情况下的时序容差为几百纳秒,但这同时也代表着简单RC振荡器的限值。

智能联网产品通过Bluetooth®、有线以太网、Wi-Fi®或其他连接协议与云端进行网络通信。由于涉及无线电和/或高速数据,因此需要精度达百万分之几(ppm)的低抖动精密时钟。

生成精密时钟所需的关键因素是稳定的参考频率,而这需要使用谐振器。谐振器是一种电子无源器件,在某些(谐振)频率下自然振荡的幅度高于其他频率——小提琴琴弦就是一个简单的例子。电子器件通常选用石英晶体和MEMS谐振器。谐振器的要求如下:

1、谐振频率随时间和温度变化呈稳定态势。这样可以避免时钟频率漂移。
2、高品质因数(Q),确保谐振器只响应很窄的频带。
3、能够在高信号电平下工作,从而在输出端达到良好的信噪比

第二项和第三项对于确保低抖动时钟信号至关重要,可实现稳定的时序转换。

由于谐振器是无源器件,因此需要受控的能量来维持振荡并产生参考频率。将谐振器以反馈配置耦合到维持放大器可实现这种稳定的振荡。如果石英晶体或MEMS谐振器配有合适放大器,会非常适合作为10 Mbps及以上域中数据传输的频率参考。

石英谐振器具有高Q值和高输出能力,适用于抖动必须极低的应用。可以实现100飞秒的相位噪声(在传统的12 kHz至20 MHz带宽中测量)。MEMS谐振器能够以非常稳定的频率在扩展级温度下工作,而且兼具极高的可靠性以及抗冲击和振动性能,并能够实现超小型时钟解决方案(接近1平方毫米)。MEMS谐振器具有较高的Q值和较低的输出;可实现500飞秒的相位噪声,而近期的谐振器设计也在不断降低该值。例如,许多现代网络应用(例如PCIe)都支持较小的集成带宽,因此这两种技术都非常合适。

在嵌入式系统中实现时钟

在嵌入式系统中,可通过三种常见的谐振器实现来产生时钟信号。

● 将石英晶体直接连接到“目标SoC”(将由时钟驱动)

“图1:两个晶体直接连接到MCU,显示负载电容和串联电阻”
图1:两个晶体直接连接到MCU,显示负载电容和串联电阻

● 通过石英晶振(XO)为整个系统创建一个时钟输出

“图2:晶振由石英晶片组成,传统上采用陶瓷封装并带有金属盖”
图2:晶振由石英晶片组成,传统上采用陶瓷封装并带有金属盖

● 基于石英或MEMS的时钟发生器(以低频和高频[>50 MHz]创建一个或多个时钟输出)

“图3:集成时钟发生器将MEMS(或晶体)谐振器与振荡器相结合,并通过可编程PLL和缓冲输出级扩展功能”
图3:集成时钟发生器将MEMS(或晶体)谐振器与振荡器相结合,并通过可编程PLL和缓冲输出级扩展功能

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—— CryptoAutomotive™ 开发工具包为OEM和一级客户提供保护现有汽车网络的工具

汽车中大量采用信息娱乐和高级驾驶辅助系统(ADAS)等现代化的便利设施显著改善了每天的出行体验。但是,与此同时,增加这些为消费者提供便利的设施也给了黑客可乘之机,黑客们反复利用这些漏洞,着实给系统造成了安全威胁。这一问题在汽车行业可能而且已经引发了车辆召回、收入损失和品牌形象受损等问题。原始设备制造商(OEM)和一级供应商面临的问题不再是汽车网络是否需要安全措施,而是如何在实际中实施安全措施,且不会因彻底修改设计而产生高昂成本。

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Microchip Technology Inc. (美国微芯科技公司)推出的全新CryptoAutomotive™ 汽车网络(IVN)信任锚/边界安全设备(TA/BSD)开发工具包让OEM和一级供应商能够对联网汽车系统实施安全保护,从最重要的领域开始,将最高级别的保护部署进汽车网络的每处。CryptoAutomotive TA/BSD开发工具包业内唯一的专为保证安全而设计的汽车工具,通过模拟汽车网络中的安全节点,为系统设计师提供实施安全措施的直观着手点。这款工具允许制造商根据各种规范和行业标准灵活配置安全节点,几乎涵盖了各种安全措施。该工具可以实现安全密钥存储、电子控制装置(ECU)身份验证、硬件加密加速器和其他加密元素。与主机单片机配合使用时,使得设计师能够实施安全启动和控制器局域网(CAN)消息验证等功能,包括在适当情况下通过附加消息验证码(MAC)将CAN 2.0消息转化为可变速率CAN数据(CAN-FD)。

Microchip提供全方位的汽车安全保障。通过协同工作方式,TA/BSD仿真工具包允许OEM继续采用现有单片机(MCU),并在随后添加TA/BSD工具包仿真的伴随芯片,从而利用经过安全标准认证的现有MCU固件。这些伴随芯片将经过预编程,内置安全措施,然后提供给客户,从而实现真正的硬件密钥保护。与采用高端的安全MCU重新设计系统相比,这种“随后添加”的方法可以带来极大的成本优势和上市时间优势。采用高端的安全MCU就意味着需要对MCU的固件架构做重大调整,从而通过硬件和软件共同实施安全措施。

TA/BSD工具包可以与任何ECU、架构、配置或总线配合使用,从而在现有系统中灵活实施安全措施,避免大规模重新设计。伴随芯片解决方案将MCU代码更新量降到最低,因此几乎不会影响现有主机MCU的功能安全评级。这种方法还消除了对内部安全专业知识的需求。该工具提供具有预配置选项的在线图形用户界面(GUI)程序,以便简化和促进实施工作。

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Microchip安全产品部副总裁Nuri Dagdeviren表示:“随着AI技术的巨大进步,迅速提高的自动化程度以及呼之欲出的自动驾驶汽车,业内已普遍认识到保证汽车网络的安全是一项明确而紧急的必要任务。借助这种灵活的“随后添加”方法,Microchip的汽车开发工具包为OEM和一级供应商提供了必要的工具,以便在现有汽车网络中迅速实施安全措施。”

Microchip Technology Inc. 简介

Microchip Technology Inc.(纳斯达克股市代号:MCHP)是全球领先的整合单片机、混合信号、模拟器件和闪存专利解决方案的供应商,为全球数以千计的消费类产品提供低风险的产品开发、更低的系统总成本和更快的上市时间。Microchip总部位于美国亚利桑那州Chandler市,提供出色的技术支持、可靠的产品和卓越的质量。详情请访问公司网站www.microchip.com

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