探索MCP19111：PMBus协议赋能的负载点转换器参考设计

在电子设计的广阔领域中，负载点（POL）转换器的性能和灵活性至关重要。Microchip的MCP19111 PMBus协议赋能的负载点转换器参考设计，为工程师们带来了新的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这个设计。

文件下载：ARD00609.pdf

一、产品概述

1.1 MCP19111器件简介

MCP19111是一款高度集成的混合信号器件，它结合了模拟脉冲宽度调制（PWM）电流模式控制器和集成的微控制器核心，适用于同步DC/DC降压应用。其传统的模拟控制电路用于调节DC/DC转换器的输出，而PIC微控制器中程核心则提供了对设备操作参数、启动和关机配置文件、保护级别和故障处理程序的完全定制能力。

该器件采用28引脚5mm x 5mm QFN封装，集成了同步驱动器、自举设备、内部线性稳压器和4000字的非易失性存储器，能在4.5V至32V的单电源下高效运行。主机可以使用PMBus或I²C与MCP19111进行通信或修改其操作。此外，内部5V电源轨为PIC MCU供电，并通过VDD引脚引出，建议在VDD和PGND之间放置1μF电容。

1.2 参考设计的作用

MCP19111 PMBus协议赋能的负载点转换器参考设计，展示了MCP19111在同步降压拓扑中的工作方式，可在较宽的输入电压和负载范围内运行。通过集成的PIC微控制器，几乎所有的操作和控制系统参数都可以进行编程。

为了精确测量输出电流，设计中提供了一个精密运算放大器（MCP6061）和一个电感温度传感器（MCP9700）。用户可以使用内部或外部运算放大器来测量和校准输出电流，温度补偿可以通过温度测量或二阶多项式近似来实现。

1.3 系统要求

要操作该开发板，需要Microsoft.NET Framework 4.5或更高版本，以及PMBus监测图形用户界面（GUI）。该GUI允许监测和更改任何包含PMBus协议的设备的输入和输出参数。

如果需要对开发板固件进行重新开发，还需要MCP19111 MPLAB® X IDE图形用户界面插件、MPLAB® X集成开发环境（IDE）、MPLAB® XC8编译器以及一些配置工具，如PICkit™串行分析仪和PICkit 3在线调试器/编程器等。

1.4 参考设计套件内容

该参考设计套件包括MCP19111 PMBus协议赋能的负载点转换器参考设计板（ARD00609）和重要信息表。

二、安装与操作

2.1 开发板特性

这款开发板旨在为低到中等输出电流提供紧凑、低成本且高效的降压转换。其关键特性包括：

• 输入电压范围为8V至14V。
• 输出电压为1.2V，可通过软件在0.1至3.6V之间调节。
• 最大输出电流为20A。
• 在1.2V/15A输出和12V输入的情况下，典型效率为88%。
• 开关频率为500kHz，可通过软件在100kHz至1.6MHz之间调节。
• 板载高性能功率MOSFET晶体管。
• 具备过流和过温保护功能。
• 通过PMBus通信协议进行状态报告。
• 精密运算放大器用于精确输出电流测量。
• 电感温度传感器。
• 可校准输出电压和输出电流测量。
• 可编程欠压锁定（UVLO）阈值。
• 可通过软件编程输出过压、欠压和过流锁定。
• 对于高级用户，还可以通过软件调整控制环路参数和MOSFET的开关死区时间。

2.2 开始使用

2.2.1 必要仪器和工具

在开始使用开发板之前，需要准备一些必要的仪器和工具，如可调直流电源、电子负载、数字示波器、数字电压表/电流表、网络分析仪/波特图分析仪（可选）、预装PMBMonitor GUI的PC、USB - A到迷你USB电缆以及能够承受高电流的连接线等。

2.2.2 设置步骤

为开发板通电需要完成以下步骤：

1. 将电子负载连接到演示板的J2连接器上。
2. 将可调直流电源连接到演示板的J1连接器上。
3. 从可调电源提供12V电压。
4. 通过USB - A到迷你USB电缆（J3连接器）将测试板连接到预装PMBMonitor GUI的PC上。
5. 通电后，按下按钮BT1或从PMBMonitor GUI的ON按钮（在Status>Operation Panel下）开启输出电压。
6. 如果需要不同的设置，可以通过PMBus到USB板载接口、PMBus或用户开发的软件进行更改。

2.2.3 开发板测试

开发板上提供了多个测试点，用户可以连接各种仪器来评估转换器的参数。典型的测试设置和测试点的详细描述在文档中都有提供。

三、校准程序

为了提高输出电压设置、输出电压测量和输出电流读取的准确性，需要进行校准程序。建议使用从开发板网页下载的Microchip专用PMBMonitor GUI，它可以执行所有必要的计算，大大简化了校准过程。

3.1 电压校准

电压校准步骤如下：

1. 在PMBMonitor GUI主菜单中选择Developer，然后选择Calibration选项卡。
2. 在VOUT设置面板中按下Read按钮。
3. 使用准确的电压表测量测试点TP41和TP40之间的输出电压。
4. 将测量值输入到“Measured”字段中，然后按下Send按钮更新开发板上的数据。
5. 验证电压表测量的输出电压和屏幕上显示的PMBMonitor传输值是否正确。
6. 转到Status菜单，在Operation Panel中按下StoreALL按钮，以便在断电后保留实际值。

3.2 带电感温度测量的电流校准

电流校准步骤如下：

1. 在PMBMonitor GUI主菜单中选择Developer，然后选择Calibration选项卡。
2. 选择一个低测试电流（例如1A），将其写入IOUT设置面板的第一个“Current”字段中，并在外部负载上尽可能精确地设置该电流。按下相应的Read按钮，会在相应的“Voltage”字段中显示一个值。
3. 选择一个高测试电流（例如17A），将其写入第二个“Current”字段中，并在外部负载上设置该输出电流。按下相应的Read按钮，记录第二个“Voltage”字段中显示的值。
4. 按下Calculate按钮，计算完成后，“ADC(T0)”、“Coefficient - X1”和“Coefficient - X0”字段的值可能会更新。
5. 按下IOUT设置面板底部的Send按钮。 在步骤2至5中，需要保持开发板温度恒定在环境温度附近，因此所有这些测量应该尽快完成，并提供足够的冷却。

如果使用不同的电感和/或布局，还需要进行温度系数校准，步骤包括记录“ADC(T0)”值、让开发板升温、再次读取和计算相关值，最终计算出α值并写入“ALPHA”字段，最后按下相应的Send按钮并保存校准值。

四、典型性能数据、曲线和波形

文档中提供了转换器的参数以及性能曲线和波形示例，包括输入电压范围、输出电压、最大输出电流、输出电压纹波、输入电压纹波、输出电压过冲、开关频率等参数的具体数值和详细的性能曲线，这些数据和波形可以帮助工程师更好地了解开发板的性能表现。

五、总结

Microchip的MCP19111 PMBus协议赋能的负载点转换器参考设计为电子工程师提供了一个功能强大、灵活且易于使用的平台。通过对该设计的深入了解和实践，工程师们可以更好地应对各种负载点转换的设计挑战，开发出更高效、更稳定的电源系统。

各位工程师们，你们在使用类似的负载点转换器设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。