基于C8051的軟開關用移相PWM的實現

　　摘要：通過C8051單片機的可編程計數器列陣PCA來實現軟開關用移相PWM觸發脈沖，實驗結果表明通過此法產生的PWM波調試方便，運行可靠，可應用于多種軟開關電路中。

　　關鍵詞：軟開關；移相PWM：C8051

0 引言

    軟開關技術近年來已經得到了深入，廣泛的研究并且發展迅速。但在各種軟開關電路中，使開關管實現軟開關的觸發脈沖比較特殊：例如在典型的Boost ZCT—PWM電路[1]中，主開關管的觸發脈沖超前于輔助開關管的觸發脈沖，兩者雖然頻率相同，但占空比不同。在實驗中發現，利用Cvgnal公司的C8051F系列單片機可以方便地產生此種軟開關用的、多路占空比不等的移相PWM脈沖。

1 C805lF系列單片機可編程計數器陣列PCA簡介

    圖1為PCA原理框圖，以C8051F040為例，PCA包含1個專用的16位計數器／定時器和6個16位捕捉／比較模塊。從圖1中可見，16位PCA專用計數器／定時器的時基信號可有多種選擇，可通過配置相關的系統控制器的特殊功能寄存器(SFR)來實現。每個捕捉／比較模塊有自己的I／O線CEXn，可通過配制交叉開關寄存器(XBR。)將每個模塊的I／O線連接到端口I／0；每個模塊都可配制為獨立工作，有4種工作方式：邊沿觸發捕捉方式、軟件定時器比較方式、高速輸出和脈寬調制器。本文中產生多路占空比不等的移相PWM是使用了捕捉／比較模塊的高速輸出工作方式，其原理如圖2所示。

    PCAOL和PCAOH分別為系統16位PCA計數器／定時器的低8位和高8位，PCAOCPLn和PCAOCPHn分別為捕捉／比較模塊寄存器低8位和高8位。在高速輸出方式下，配制模塊工作方式的寄存器PCA0CPM值如圖2中所示。當系統PCA計數器／定時器與模塊寄存器值發生匹配時，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發生變化，如果將相應模塊的I／0線CEXn連接到端口I／0，單片機相應端口輸出電平即發生變化，這就可實現PWM脈沖的高、低電平輸出。每個模塊的工作是單獨進行的，需要的CPU干預較少，這就可同時輸出多路PWM。

    控制寄存器PCAOCN中，CF是當PCA計數器／定時器溢出時，由硬件置位，如CF中斷被允許則此時CPU轉向CF中斷服務程序，該位只能由軟件清零。CR置1是允許PCA計數器／定時器工作，置O是禁止。CCF0～CCF5是模塊捕捉比較標志，當匹配發生時，該位由硬件置位，如CCF中斷被允許則此時CPU轉向相應CCF中斷服務程序，該位只能由軟件清零。

    可見要產生多路移相PWM，可允許多個捕捉／比較模塊同時工作，當發生匹配即電平轉換時，允許CPU轉向CCF中斷服務程序，在中斷服務程序中，將相應的數值偏移量與寄存器PCAOCPLn和PCAOCPHn值相加，這一數值偏移量便決定了下一次匹配的時間，PWM的高、低電平脈寬便由各自相應的數值偏移量決定。

2 軟件系統設計及編程語言的選擇

    系統主程序框圖如圖3所示。

    在針對具體電路應用時，須加入主開關管PWM觸發脈沖調節子程序，根據輸出電壓采樣反饋來調節其占空比以保證輸出電壓穩定。在選擇編程語言時，同時用C51和匯編語言來產生2路移相PWM，并作了比較。比較如下：設定開關頻率為20kHz，主開關管觸發脈沖占空比為50％，輔助管為20％并滯后于主開關管2lμs開通。進入CCF中斷服務程序后，CPU進行捕捉／比較模塊寄存器偏移量計算時，以模塊0計算主開關管高電壓脈寬偏移量為例，C51語句為：

    tempI=(PCA0CPH0《8)lPCA0CPLO；／／取寄存器當前值
    temp1+=0x0271： ／／上升沿，加上高電壓脈寬
    PCA0CPLO=(0Xff&(temp1)；
    PCAOCPH0=[0xff&(temp》8)]；／／計算結果返回寄存器

    編譯后的語句執行過程為：
    MOV     R7,FCH
    MOV     A,R7
    MOV     R3,FBH
    MOV     0CH,A
    MOV     A,R3
    MOV     0DH,A
    ADD     A,#7lH
    MOV     0DH,A
    MOk     A,#02H
    ADDC    A,OCH／／以上取害存器當前值，并加上高電壓脈寬計算
    MOV     OCH,A
    MOV     A,0DH
    MOV     FBH,A
    M0V     A,OCH
    MOV     FCH，A／／計算結果返回寄存器

    直接使用匯編語言實現相同功能時，匯編語句為
    mllV    A,R0
    add     A,#071h
    mov     R0,A
    clr     A
    addc    A,Rl
    add     A,#02h
    mov     R1,A
    mov     PCAOCPLO,R0
    mov     PCAOCPHO,Rl

    編譯后的語句執行過程為
    MOV     A,RO
    ADD     A,#71H
    MOV     R0,A
    CLR     A
    AkDDC   A,Rl
    ADD     A,#02H
    MOV     R1,A
    MOV     FBH,R0
    MOV     FCH,Rl

    通過比較中斷服務程序處理過程可見，C51的執行過程中有些地址只是作為數據存取的中轉，另外，還有大量的堆棧操作未在文中給出，這增加了CPU處理CCF中斷的時鐘周期，如果幾個中斷優先級相同的CCF中斷發生的時間間隔過短，就會造成程序跑飛。使用匯編語言編程，在單片機時鐘頻率為24．5MHz時，其中斷服務程序最少用時約為35個時鐘周期，而C51用時大概為其2倍。因此，用匯編語言編程可實現的PWM頻率和移相范圍都要高于C5l。

3 實驗結果

    1)針對主、輔開關管均實現軟開關的新型Boost ZCT—PWM電路[圖4(a)]需要的兩路移相PWM觸發脈沖，用C8051單片機產生了所需觸發脈沖[圖4(b)]，并對此Boost電路作了實驗。單片機端口J／0為低電平有效，故圖4(b)所示是經非門反相后的信號。實驗電路參數：Vin=24V,Vo=48V，輸出功率100W，Lf=5mH，L1=4μH，La=6μH，Ca=1μF，Cf200μF。實驗結果如圖5所示。

    從圖5實驗結果可見，主、輔開關管均實現了零電流開通和關斷，表明單片機產生的移相PWM觸發脈沖能保證電路實現預期的全軟開關效果。

    2)專用移相控制芯片如UC3879，在軟開關全橋PWM變換器(如圖6所示)中有很廣泛的應用。本實驗實現單片機輸出4路PWM脈沖，頻率為50kHz，每路占空比為40％，同一橋臂開關管死區時間設定為2μs，橋臂S1、S4為一組，S2、S3為一組，實驗結果如圖7所示。

    從以上實驗結果可見，所產生的PWM脈沖波形頻率和相移精確度高，波形理想。

4 結語

    通過C805l單片機的可編程計數器列陣PCA產生移相PWM脈沖，可根據實際應用所需產生相應脈沖路數，頻率高，移相范圍廣，精確可靠，可應用于多種軟開關實驗或者實際電路中。