ROHM LogiCoA攻克50W〜1kW电源转换器中应用数字控制技术难题

传统微控制器受成本、功耗等因素限制，数字控制技术很难在50W~1kW电源中实际应用。 ROHM 的LogiCoA 通过采用混合和事件驱动设计，成功克服了这个问题。此外，该产品还提供校准功能、日志收集功能和软件灵活性，以实现高效且可扩展的电源解决方案。

前言电力电子领域正在快速发展，对更智能、更高效、可扩展的电源解决方案的需求日益增加。数字控制是满足这些需求的有效手段，但传统微控制器由于成本和功耗等问题，一直难以在50W~1kW的中小功率范围内广泛应用。因此，该范围仍以模拟控制为主，具有低成本、低功耗的优点，但在功能上仍存在局限性。本文将介绍ROHM 的逻辑和控制架构(LogiCoA) 如何克服这一长期存在的技术问题。通过将模拟技术的效率与数字技术的灵活性相融合，LogiCoA 使先进的数字控制在工业设备的主流市场中成为现实。接下来，我们将详细介绍现有解决方案、LogiCoA 混合方法的局限性，以及它在成本效益、性能和设计灵活性方面带来的新可能性。

在50W1kW电源转换器中应用数字控制所面临的挑战用于数字控制电源的微控制器本身并不是一项新技术。许多半导体厂商已经开始提供相关解决方案，并已应用于各种应用场景。然而，LogiCoA 的独特之处在于它采用创新方法来解决传统微控制器无法解决的基本问题。目前存在的问题是现有的数字控制微控制器不仅价格昂贵，而且功耗很大。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，在50W~1kW的中小功率范围（主流市场）仍难以普及。

图1：工业设备供电系统中功率控制方法的细分

在中小功率电源系统中，对数字控制电源特有的先进功能有着强烈的需求。但由于成本、功耗等问题，数控电源的推出仍处于谨慎推进阶段。

图2：模拟控制依赖于低成本、低功耗的独立组件，但在功能上存在局限性。虽然数字控制可以实现先进的功能，但由于需要高速微控制器，因此需要更高的成本和功耗。

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经济高效 无需CPU 中等 需要高速CPU/DSP（成本较高）功耗优秀 低（Icc=3mA 至5mA） 差 高（Icc=100mA 至150mA）功能较差 功能较低，无法支持复杂的功能优秀 可添加校准、日志收集等高级功能

PWM控制回路的结构创新针对传统数字控制电源中使用的微控制器的成本和功耗问题，LogiCoA利用模数混合技术成功解决了这一问题。

在传统的数字控制电源中，通常使用A-D转换器和CPU/DSP来构建PWM控制环路。为了将该控制环路中的延迟时间控制得更小，高速A-D转换器和高性能CPU/DSP是必不可少的器件。然而，这是成本和功耗较高的主要原因。

图3：使用LogiCoA 的电源系统结构

PWM控制的处理是由内置比较器和定时器组成的模数PWM控制电路来执行的。利用模拟补偿电路输入的模拟信号作为触发驱动高分辨率定时器，可以逐个时钟周期控制PWM信号的占空比，而不需要经过CPU。这种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法称为“事件驱动”。优化PWM控制环的结构，取得了很好的效果。与采用传统数字控制微控制器的方案相比，成本可降低至1/3~1/4左右，功耗可降低至1/30左右。这一突破性进展使得数字控制技术在中小功率范围（50W~1kW）的工业设备中得到实际应用。

配备日志功能和校准功能LogiCoA芯片内置CPU，采用ROHM自己的设计方法——，将CPU与实时PWM控制环路的计算分开。 CPU在后台运行，根据用户定义的软件例程处理电源启动和停止、输入输出监控、电流检测和外部通信管理等任务。使用这种架构，可以提高效率，并可以实现数控电源特有的高级功能。

其主要优点是灵活性，—— 可以通过更改软件来适应各种电源拓扑。一般来说，模拟控制电源IC只适应特定的拓扑结构，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，这会增加库存管理的负担。然而，通过使用LogiCoA，只需一台设备即可适应多种拓扑，这可以大大减轻库存管理的压力。

图4：使用控制PC 分析LogiCoA MCU 收集的日志数据，以监控应用产品和电源单元的运行情况。

另一个重要功能是通过校准功能对电路元件进行微调。电力系统中使用的IC、功率元件、变压器等电路元件的特性值通常都会有一定的波动。因此，在电路设计中需要为各元件的额定值预留足够的余量，这将导致产品尺寸的增大和更高的耐压能力，从而导致电源系统整体尺寸和成本的增加。然而，通过利用LogiCoA的校准功能，可以纠正这些波动，并将误差幅度控制在较小的范围内，从而实现电力系统的小型化和成本降低。

ROHM RMOS的实时功率控制LogiCoA的软件部分由ROHM自主开发的实时操作系统“RMOS（Real-time Micro Operating System）”支持，免费向用户开放。 RMOS支持两组“状态转换控制模块”，可以同时控制PFC电路和DC-DC转换器，也可以同时控制两个DC-DC转换器。为了方便用户开发，ROHM还提供了适应各种拓扑的示例代码，并且可以通过基于Excel的工具轻松设置操作参数。

总结LogiCoA 架构是数控电源设计领域的一项重大突破性技术。通过将实时PWM 控制交给模数混合电路处理，CPU 资源可以集中用于后台处理，从而在不影响功能的情况下大大降低成本和功耗。而且，通过拓扑重构、标定、日志收集等功能，可以同时实现系统性能提升、设计简化和产品小型化。

图5：LogiCoA 解决方案由核心LogiCoA MCU 和根据电源拓扑配置的各种ROHM 组件组成。通过与ROHM的实时操作系统“RMOS”和全球独家支持系统相结合，LogiCoA在50W~1kW的重要功率范围内开辟了数字控制的新实用路径。这种混合方法弥合了模拟和数字控制之间的差距，为可扩展、高效和智能的电源管理设立了新标准