基于C8051的軟開(kāi)關(guān)用移相PWM的實(shí)現

　　摘要：通過(guò)C8051單片機的可編程計數器列陣PCA來(lái)實(shí)現軟開(kāi)關(guān)用移相PWM觸發(fā)脈沖，實(shí)驗結果表明通過(guò)此法產(chǎn)生的PWM波調試方便，運行可靠，可應用于多種軟開(kāi)關(guān)電路中。

　　關(guān)鍵詞：軟開(kāi)關(guān)；移相PWM：C8051

0 引言

    軟開(kāi)關(guān)技術(shù)近年來(lái)已經(jīng)得到了深入，廣泛的研究并且發(fā)展迅速。但在各種軟開(kāi)關(guān)電路中，使開(kāi)關(guān)管實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的觸發(fā)脈沖比較特殊：例如在典型的Boost ZCT—PWM電路[1]中，主開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖超前于輔助開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖，兩者雖然頻率相同，但占空比不同。在實(shí)驗中發(fā)現，利用Cvgnal公司的C8051F系列單片機可以方便地產(chǎn)生此種軟開(kāi)關(guān)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(jiǎn)介

    圖1為PCA原理框圖，以C8051F040為例，PCA包含1個(gè)專(zhuān)用的16位計數器／定時(shí)器和6個(gè)16位捕捉／比較模塊。從圖1中可見(jiàn)，16位PCA專(zhuān)用計數器／定時(shí)器的時(shí)基信號可有多種選擇，可通過(guò)配置相關(guān)的系統控制器的特殊功能寄存器(SFR)來(lái)實(shí)現。每個(gè)捕捉／比較模塊有自己的I／O線(xiàn)CEXn，可通過(guò)配制交叉開(kāi)關(guān)寄存器(XBR。)將每個(gè)模塊的I／O線(xiàn)連接到端口I／0；每個(gè)模塊都可配制為獨立工作，有4種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉方式、軟件定時(shí)器比較方式、高速輸出和脈寬調制器。本文中產(chǎn)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(shí)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(shí)器與模塊寄存器值發(fā)生匹配時(shí)，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發(fā)生變化，如果將相應模塊的I／0線(xiàn)CEXn連接到端口I／0，單片機相應端口輸出電平即發(fā)生變化，這就可實(shí)現PWM脈沖的高、低電平輸出。每個(gè)模塊的工作是單獨進(jìn)行的，需要的CPU干預較少，這就可同時(shí)輸出多路PWM。

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

    可見(jiàn)要產(chǎn)生多路移相PWM，可允許多個(gè)捕捉／比較模塊同時(shí)工作，當發(fā)生匹配即電平轉換時(shí)，允許CPU轉向CCF中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)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(shí)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(yǔ)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(shí)，須加入主開(kāi)關(guān)管PWM觸發(fā)脈沖調節子程序，根據輸出電壓采樣反饋來(lái)調節其占空比以保證輸出電壓穩定。在選擇編程語(yǔ)言時(shí)，同時(shí)用C51和匯編語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生2路移相PWM，并作了比較。比較如下：設定開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，主開(kāi)關(guān)管觸發(fā)脈沖占空比為50％，輔助管為20％并滯后于主開(kāi)關(guān)管2lμs開(kāi)通。進(jìn)入CCF中斷服務(wù)程序后，CPU進(jìn)行捕捉／比較模塊寄存器偏移量計算時(shí)，以模塊0計算主開(kāi)關(guān)管高電壓脈寬偏移量為例，C51語(yǔ)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(yǔ)句執行過(guò)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(yǔ)言實(shí)現相同功能時(shí)，匯編語(yǔ)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(yǔ)句執行過(guò)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(guò)比較中斷服務(wù)程序處理過(guò)程可見(jiàn)，C51的執行過(guò)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(shí)鐘周期，如果幾個(gè)中斷優(yōu)先級相同的CCF中斷發(fā)生的時(shí)間間隔過(guò)短，就會(huì )造成程序跑飛。使用匯編語(yǔ)言編程，在單片機時(shí)鐘頻率為24．5MHz時(shí)，其中斷服務(wù)程序最少用時(shí)約為35個(gè)時(shí)鐘周期，而C51用時(shí)大概為其2倍。因此，用匯編語(yǔ)言編程可實(shí)現的PWM頻率和移相范圍都要高于C5l。

3 實(shí)驗結果

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

    從圖5實(shí)驗結果可見(jiàn)，主、輔開(kāi)關(guān)管均實(shí)現了零電流開(kāi)通和關(guān)斷，表明單片機產(chǎn)生的移相PWM觸發(fā)脈沖能保證電路實(shí)現預期的全軟開(kāi)關(guān)效果。

    2)專(zhuān)用移相控制芯片如UC3879，在軟開(kāi)關(guān)全橋PWM變換器(如圖6所示)中有很廣泛的應用。本實(shí)驗實(shí)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(kāi)關(guān)管死區時(shí)間設定為2μs，橋臂S1、S4為一組，S2、S3為一組，實(shí)驗結果如圖7所示。

    從以上實(shí)驗結果可見(jiàn)，所產(chǎn)生的PWM脈沖波形頻率和相移精確度高，波形理想。

4 結語(yǔ)

    通過(guò)C805l單片機的可編程計數器列陣PCA產(chǎn)生移相PWM脈沖，可根據實(shí)際應用所需產(chǎn)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(kāi)關(guān)實(shí)驗或者實(shí)際電路中。