ROHM LogiCoA攻克50W〜1kW电源转换器中应用数字控制技术难题

传统的微控制器，受成本和功耗等因素的限制，很难在50W〜1kW级电源中实际应用数字控制技术。ROHM的LogiCoA™通过采用混合型且基于事件驱动的设计，成功攻克了这一难题。而且，该产品还具备校准功能、日志采集功能及软件灵活性，可实现高效且可扩展的电源解决方案。

前言

电力电子领域正经历着日新月异的发展，对更智能、更高效且可扩展的电源解决方案的需求与日俱增。数字控制是满足这些需求的有效手段，但传统的微控制器因成本和功耗等方面的问题，一直很难在50W〜1kW的中小功率范围得到广泛应用。因此，这一范围仍以模拟控制为主，这虽然有成本低、功耗低的优点，但在功能方面还存在局限性。 本文将介绍ROHM的Logic and Control Architecture（LogiCoA™）是如何攻克这一长期存在的技术难题的。通过将模拟技术的高效性与数字技术的灵活性融合在一起，LogiCoA™使得在工业设备主流市场实现高级数字控制成为现实。在接下来的内容中，我们将详细阐述现有解决方案的局限性、LogiCoA™混合方案及其在成本效益、性能表现及设计灵活性方面开创的新可能性。

在50W〜1kW电源转换器中应用数字控制所面临的挑战

数字控制电源用的微控制器本身并非新技术，很多半导体制造商早已开始提供相关解决方案，并已应用在各种应用场景中。然而，LogiCoA™之所以与众不同，在于它针对传统微控制器无法解决的根本问题采取了创新性的解决方法。 一直以来的课题是现有的数字控制微控制器不仅价格高，功耗也很大。因此，目前其主要用途仅限于超过1kW的大功率工业电源系统领域，而在50W〜1kW的中小功率范围（主流市场）仍难以普及。

图1：工业设备电源系统中的功率控制方式细分

在中小功率电源系统中，对数字控制电源特有的高级功能的应用需求非常强烈。然而，受成本和功耗等问题的影响，数字控制电源的导入仍处于审慎推进阶段。

图2：模拟控制依赖于低成本、低功耗的独立元器件，在功能方面却存在局限性。而数字控制虽能实现高级功能，但因需要高速微控制器而导致成本和功耗更高

表1：模拟控制电源与数字控制电源的特点比较

参数	模拟控制	数字控制
成本	优 – 无需CPU	中 – 需配备高速CPU/DSP（成本较高）
功耗	优 – 低（Icc = 3mA to 5mA）	差 – 高（Icc = 100mA to 150mA）
功能	差 – 功能低下，无法支持复杂功能	优 – 可增加校准和日志采集等高级功能

PWM控制回路的结构创新

针对传统数字控制电源用的微控制器在成本和功耗方面存在的课题，LogiCoA™通过采用模数混合技术成功解决了这一课题。
在常规的数字控制电源中，通常采用A-D转换器和CPU/DSP来构建PWM控制回路。为将该控制回路内的延迟时间控制得更小，高速A-D转换器及高性能CPU/DSP是必不可少的器件。 然而，这正是导致成本高和功耗大的主要原因。

图3：采用了LogiCoA™的电源系统的结构

PWM控制的处理由内置比较器和定时器构成的模数PWM控制电路执行。通过将模拟补偿电路输入的模拟信号作为触发来驱动高分辨率定时器，无需经由CPU即可对PWM信号的占空比进行逐时钟周期控制。像这样以模拟补偿电路的信号输入作为触发条件来启动控制的方式，被称为“事件驱动”。 优化PWM控制回路的结构所取得的效果非常好，与采用传统数字控制用微控制器的方案相比，成本可降低至约1/3〜1/4，功耗可降至约1/30。这一突破性进展使得中小功率范围（50W～1kW）的工业设备也得以实际应用数字控制技术。

配备日志功能和校准功能

LogiCoA™芯片内部内置了CPU，采用的是ROHM自有的设计方法——将CPU从实时PWM控制回路的运算中剥离出来。CPU在后台运行，基于用户自定义的软件例程处理电源启停、输入输出监控、电流检测以及外部通信管理等任务。利用该架构，可提高效率，并可实现数字控制电源特有的高级功能。
其首要优势在于灵活性——通过变更软件即可适配各种电源拓扑。通常而言，模拟控制电源IC仅适配特定的拓扑，电源制造商需要为不同的应用场景准备大量不同型号的产品，而这会导致库存管理负担加重。不过，通过使用LogiCoA™，仅用1枚器件即可适配多种拓扑，可大大缓解库存管理压力。

图4：利用控制用的PC对LogiCoA™ MCU采集的日志数据进行分析，可监控应用产品及电源单元的运行情况

其另一重要特点是通过校准功能可对电路元器件进行精细调节。电源系统中使用的IC、功率元器件、变压器等电路元器件，特性值通常会存在一定波动。因此，在电路设计中需要针对各元器件的额定值预留充分的裕度，而这会导致产品的体积变大，并需要具备更高的耐压能力，从而造成电源系统整体的尺寸和成本增加。 然而，通过利用LogiCoA™的校准功能，可以纠正这些波动，将误差幅度控制在更小范围内，从而可实现电源系统的小型化并降低成本。

ROHM RMOS的实时功率控制

LogiCoA™的软件部分由ROHM自主研发的实时OS“RMOS（Real-time Micro Operating System）”提供支持，并免费向用户开放。RMOS支持两组“状态转换控制模块”，可同时控制PFC电路和DC-DC转换器，也可同时控制两个DC-DC转换器。 为便于用户开发，ROHM还提供适配多种拓扑的示例代码，可通过基于Excel的工具轻松设置运行参数。

总结

LogiCoA™架构是数字控制电源设计领域的一项重大突破性技术。通过将实时PWM控制交由模数混合电路处理，使CPU资源得以专注于后台处理，从而在不影响功能性的前提下，大大降低成本和功耗。 而且，通过拓扑重构功能、校准和日志采集等功能，可同时实现系统性能提升、设计简化以及产品的小型化。

图5：LogiCoA™解决方案由核心的LogiCoA™ MCU以及根据电源拓扑配置的ROHM各种元器件构成。通过与ROHM的实时操作系统“RMOS”及全球化专属支持体系相结合，LogiCoA™为50W〜1kW这一重要功率范围开辟了数字控制全新实用路径。这种混合式方法弥合了模拟控制与数字控制之间的鸿沟，为可扩展、高效率且智能化的电源管理树立了新标准