微控制器在開(kāi)關(guān)電源中的應用司

微控制器在開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源設計中得到應用。　　10 年前我在研究生院的時(shí)候，一個(gè)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(jìn)的微控制器。這種微控制器用于實(shí)現新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制器，以解決功率電子設備中的所有非線(xiàn)性控制問(wèn)題。該控制器小組回復說(shuō)，這種微控制器的成本至少約為 100 美元。于是這場(chǎng)討論嘎然停止，因為整個(gè)電源的售價(jià)比這塊芯片還要便宜。 　　微控制器要在電源中切實(shí)可用，其成本必須降低將近兩個(gè)數量級才成。如今，UPS 系統、功率因子校正離線(xiàn)電源、隔離的 DC/DC 變換器、微處理器電源和負載點(diǎn)單列直插式封裝都開(kāi)始使用微控制器。微控制器有一個(gè)更恰當的名字，就是單片系統(SOC)，因為現代微控制器其實(shí)是模擬/數字器件與板上振蕩器、ADC和比較器的組合體（參見(jiàn)附文《什么是微控制器，為何要使用它？》）。 　　微控制器目前及將來(lái)在電源中的實(shí)際用途，從簡(jiǎn)單的監控功能到全數字閉環(huán)控制不一而足。監控功能包括啟動(dòng)控制計時(shí)、同步整流器控制、使能電路和故障邏輯。（如適用于過(guò)壓和過(guò)熱狀態(tài)的故障邏輯）。閉環(huán)控制需要性能更高的控制器，但是，通過(guò)模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現快速內部電流環(huán)路，你就無(wú)須使用昂貴的DSP?！　∥⒖刂破鲗τ谠S多電源都是非常有用的，但本文著(zhù)重討論的是高密度開(kāi)關(guān)電源。這類(lèi)電源必須具備效率高、功能多、封裝小和價(jià)格具有競爭優(yōu)勢等特點(diǎn)。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(lèi)電源的體積小又具有開(kāi)關(guān)特性，所以控制器需要能在噪聲較大的環(huán)境中工作?！　底旨夹g(shù)的好處　　改用數字技術(shù)有一個(gè)好處，就是價(jià)格 1 美元的微控制器通?？梢匀〈鄠€(gè)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(gè)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(gè)裝置的時(shí)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(zhù)產(chǎn)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(zhù)有更多地方來(lái)安裝功率元件，以及額外的傳輸電流的銅線(xiàn)提高了效率。你利用微控制器節省下來(lái)的電路板空間，就能使你縮小電源設計本身的尺寸，并通過(guò)增強供電的功率級來(lái)改善產(chǎn)品的散熱性能。 　　使用微控制器還有另一個(gè)好處，就是通過(guò)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(gè)版本。每種電源可滿(mǎn)足一些獨特的設計要求，而且標準電源產(chǎn)品有時(shí)也可以利用定制的微代碼來(lái)滿(mǎn)足這些要求。由于多數微控制器都具有代碼保護功能來(lái)防止對固件的“窺探”，你就可以用軟件滾動(dòng)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(chǎn)品進(jìn)行倒序制造則要困難得多?！　∥⒖刂破鞯撵`活性不僅允許修改設計，還簡(jiǎn)化了初始的設計工作。你確定了微控制器需要訪(fǎng)問(wèn)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(wù)細節推后考慮。在等待樣機完工的同時(shí)，你可以編寫(xiě)很多固件代碼，因為大多數微控制器制造商都提供優(yōu)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(guò)程，并可很容易地從樣機過(guò)渡到正式產(chǎn)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(gè)元件?！　”O督控制功能　　開(kāi)始在電源中使用微控制器的最簡(jiǎn)便方法是用它代替監控電路。監控電路對電源進(jìn)行監控，并負責通電、中止啟動(dòng)和故障防護。任何電源都可以使用的一種簡(jiǎn)單的滯后窗口比較器對電源的輸入電壓進(jìn)行監視，而且僅僅在輸入電壓處于有效輸入范圍之內時(shí)才啟動(dòng)電源電路（圖1）。當輸入電壓接近其極限時(shí)，你就需要用“滯后”來(lái)防止電源電壓迅速起伏?！　∮镁哂心?數輸入端的微控制器代替監控電路，只需要一個(gè)分壓器來(lái)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(shí)器，你可以給監控器的行為增加計時(shí)功能，從而允許一定量的過(guò)壓，只要它的持續時(shí)間不太長(cháng)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(huì )是至關(guān)緊要的?！　∥⒖刂破鬟€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(dòng)引腳，并采取相應動(dòng)作（圖3）。這種方法允許你實(shí)現正邏輯啟動(dòng)或負的邏輯啟動(dòng)，并使用內置的計時(shí)器和簡(jiǎn)單的編碼來(lái)增加抗抖動(dòng)和起伏的防護，從而阻止發(fā)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(shí)，你可以增加“啟動(dòng)禁止”功能，用以防止在任何啟動(dòng)后再次直接啟動(dòng)，以便故障關(guān)機能使所有電路在重新啟動(dòng)之前完全放電?！　∥⒖刂破髟试S你按需確定啟動(dòng)次數，以解決排序問(wèn)題。只要把微控制器的故障邏輯電路、啟動(dòng)電路和計時(shí)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(lái)說(shuō)，電源干線(xiàn)二極管和串聯(lián)電阻器等保護電路都是很重要的?！　￠]環(huán)控制　　令人遺憾的是，今天的廉價(jià)微控制器缺乏足夠高的處理能力和速度，不能對典型的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行全面的數字閉環(huán)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(jìn)行閉環(huán)控制的混合技術(shù)（圖4）。這種器件使用高速比較器來(lái)控制脈沖寬度。微代碼控制著(zhù)軟啟動(dòng)、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(huì )體會(huì )到對該芯片的行為進(jìn)行某些控制的好處。 　　向全數字控制環(huán)路邁進(jìn)了一步的是一種使用一個(gè)快速內部模擬電流環(huán)路和一帶寬較小的外部數字控制環(huán)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(lèi)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(lái)控制。對微控制器輸出的 150 kHz PWM 取平均值，就可以產(chǎn)生這一模擬信號。 Tiny15L 缺乏硬件倍增器，因此它只能實(shí)現一種有限的控制算法。價(jià)格較為昂貴的 Atmel ATMega8 包含有一個(gè)足以實(shí)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(shí)器、監視計時(shí)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(lái)，你應該會(huì )在以后的電路板設計中享受微控制器帶來(lái)的靈活性和經(jīng)濟性的好處?！　D片說(shuō)明　　圖1 一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)啟動(dòng)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(lái)代替“啟動(dòng)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(chǎn)生了一種實(shí)現閉環(huán)控制的混合技術(shù)。 　　圖5 一種實(shí)現閉環(huán)控制的混合技術(shù)，就是利用微控制器來(lái)監控電源的輸出電壓，并驅動(dòng)外部 PWM 器件。