微控制器在開關電源中的應用司

微控制器在開關電源中的應用

　微控制器作為一種減少元件數量、提高性能的手段，正在高密度開關電源設計中得到應用。　　10 年前我在研究生院的時候，一個控制器小組向功率電子設備中心建議在電源中使用一種先進的微控制器。這種微控制器用于實現新型神經網絡控制器，以解決功率電子設備中的所有非線性控制問題。該控制器小組回復說，這種微控制器的成本至少約為 100 美元。于是這場討論嘎然停止，因為整個電源的售價比這塊芯片還要便宜。 　　微控制器要在電源中切實可用，其成本必須降低將近兩個數量級才成。如今，UPS 系統、功率因子校正離線電源、隔離的 DC/DC 變換器、微處理器電源和負載點單列直插式封裝都開始使用微控制器。微控制器有一個更恰當的名字，就是單片系統(SOC)，因為現代微控制器其實是模擬/數字器件與板上振蕩器、ADC和比較器的組合體（參見附文《什么是微控制器，為何要使用它？》）。 　　微控制器目前及將來在電源中的實際用途，從簡單的監控功能到全數字閉環控制不一而足。監控功能包括啟動控制計時、同步整流器控制、使能電路和故障邏輯。（如適用于過壓和過熱狀態的故障邏輯）。閉環控制需要性能更高的控制器，但是，通過模擬技術來實現快速內部電流環路，你就無須使用昂貴的DSP。　　微控制器對于許多電源都是非常有用的，但本文著重討論的是高密度開關電源。這類電源必須具備效率高、功能多、封裝小和價格具有競爭優勢等特點。要使電源增加功能、降低成本、減少部件數量、節省電路板面積，就必須使用微控制器。由于這類電源的體積小又具有開關特性，所以控制器需要能在噪聲較大的環境中工作。　　數字技術的好處　　改用數字技術有一個好處，就是價格 1 美元的微控制器通常可以取代多個模擬電路。這種方法之所以可以降低材料成本和部件數量，乃是因為一個微控制器就可以代替視窗檢測器、比較器和鎖存器。當將這些元部件集成為一個裝置的時候，你就可以提高可靠性、效率和安全性。使用的元部件較少意味著產生缺陷的可能性較小，而且還可空出一些電路板空間。在高密度變換器中，有較多的電路板空間意味著有更多地方來安裝功率元件，以及額外的傳輸電流的銅線提高了效率。你利用微控制器節省下來的電路板空間，就能使你縮小電源設計本身的尺寸，并通過增強供電的功率級來改善產品的散熱性能。 　　使用微控制器還有另一個好處，就是通過改變在微控制器上運行的微代碼，可以利用同樣的印刷電路板和元件制造出某種電源的多個版本。每種電源可滿足一些獨特的設計要求，而且標準電源產品有時也可以利用定制的微代碼來滿足這些要求。由于多數微控制器都具有代碼保護功能來防止對固件的“窺探”，你就可以用軟件滾動運行你的設計的各部分，從而提高設計的安全性。而對配備微控制器的產品進行倒序制造則要困難得多。　　微控制器的靈活性不僅允許修改設計，還簡化了初始的設計工作。你確定了微控制器需要訪問哪些信號之后，就可以完成和交付電路板布局，并把微控制器需要執行的任務細節推后考慮。在等待樣機完工的同時，你可以編寫很多固件代碼，因為大多數微控制器制造商都提供優良的仿真工具。一旦你做出了樣機，特殊的調試代碼便可以幫助完成調試過程，并可很容易地從樣機過渡到正式產品。例如，調試代碼可以仿真或禁用特定的故障條件，以便更好地隔離你正在檢驗和排除故障的系統中的每個元件。　　監督控制功能　　開始在電源中使用微控制器的最簡便方法是用它代替監控電路。監控電路對電源進行監控，并負責通電、中止啟動和故障防護。任何電源都可以使用的一種簡單的滯后窗口比較器對電源的輸入電壓進行監視，而且僅僅在輸入電壓處于有效輸入范圍之內時才啟動電源電路（圖1）。當輸入電壓接近其極限時，你就需要用“滯后”來防止電源電壓迅速起伏。　　用具有模/數輸入端的微控制器代替監控電路，只需要一個分壓器來調節被測電壓（圖2）。微控制器允許你任意設置和調節電源工作期間的初始極限和滯后窗口。使用內置的計時器，你可以給監控器的行為增加計時功能，從而允許一定量的過壓，只要它的持續時間不太長就行。由于監控電路的這種次要作用，使用任何由于用微控制器代替這一監控電路而導致的延遲都不會是至關緊要的。　　微控制器還能夠啟用引腳監控電路，在引腳監控電路中，微控制器監控插入電源的啟動引腳，并采取相應動作（圖3）。這種方法允許你實現正邏輯啟動或負的邏輯啟動，并使用內置的計時器和簡單的編碼來增加抗抖動和起伏的防護，從而阻止發生電源電壓快速起伏周期。當微處理器和其它故障防護電路一起使用時，你可以增加“啟動禁止”功能，用以防止在任何啟動后再次直接啟動，以便故障關機能使所有電路在重新啟動之前完全放電。　　微控制器允許你按需確定啟動次數，以解決排序問題。只要把微控制器的故障邏輯電路、啟動電路和計時功能組合在一起，你就可以制定復雜的監控方案。請注意，對于任何暴露在外的引腳來說，電源干線二極管和串聯電阻器等保護電路都是很重要的。　　閉環控制　　令人遺憾的是，今天的廉價微控制器缺乏足夠高的處理能力和速度，不能對典型的開關電源進行全面的數字閉環控制。把模擬 PWM 集成到微控制器中，例如 Microchip 公司的PIC16C781，就可以形成一種進行閉環控制的混合技術（圖4）。這種器件使用高速比較器來控制脈沖寬度。微代碼控制著軟啟動、頻率以及最小和最大占空因數。任何與現成 PWM 芯片打交道的人，都會體會到對該芯片的行為進行某些控制的好處。 　　向全數字控制環路邁進了一步的是一種使用一個快速內部模擬電流環路和一帶寬較小的外部數字控制環路的混合控制方案。例如，你可以使用 Atmel 公司的 ATTiny15L 型PLL 頻率增強的 PWM 作為這類應用的 DAC（圖5）。在本例中，微控制器利用這種10位 ADC 監控電源的輸出電壓，并把 EA（誤差放大器）信號作為外部模擬 PWM來控制。對微控制器輸出的 150 kHz PWM 取平均值，就可以產生這一模擬信號。 Tiny15L 缺乏硬件倍增器，因此它只能實現一種有限的控制算法。價格較為昂貴的 Atmel ATMega8 包含有一個足以實現真正模擬式控制算法的硬件倍增器。 　　電源設計增加了微控制器，就可提高性能，降低成本。首先，你要檢查當前的電源，并確定微控制器可以代替哪些功能。然后，選擇一種集成了內部振蕩器的微控制器、適當數量的計時器、監視計時器復位器和模擬外設（如ADC）、比較器和數字信號。你或許只需要最少的程序存儲器空間。接下來，你應該會在以后的電路板設計中享受微控制器帶來的靈活性和經濟性的好處。　　圖片說明　　圖1 一個簡單的滯后窗口比較器監控電源的輸入電壓，而且僅僅在輸入電壓處于有效輸入范圍之內時啟動這些電源電路。 　　圖2 具有模/數輸入端的微控制器可以取代模擬窗口比較器。 　　圖3 微控制器可以很方便地用來代替“啟動引腳監控電路”。 　　圖4 把微控制器對 PWM 的支持與模擬控制配合使用，便產生了一種實現閉環控制的混合技術。 　　圖5 一種實現閉環控制的混合技術，就是利用微控制器來監控電源的輸出電壓，并驅動外部 PWM 器件。