微控制器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

　微控制器作為一種減少元件數(shù)量、提高性能的手段，正在高密度開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中得到應(yīng)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(shè)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(xiàn)新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，以解決功率電子設(shè)備中的所有非線(xiàn)性控制問(wèn)題。該控制器小組回復(fù)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?yàn)檎麄€(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(shù)量級(jí)才成。如今，UPS 系統(tǒng)、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(fù)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(dāng)?shù)拿?，就是單片系統(tǒng)(SOC)，因?yàn)楝F(xiàn)代微控制器其實(shí)是模擬/數(shù)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(jiān)控功能到全數(shù)字閉環(huán)控制不一而足。監(jiān)控功能包括啟動(dòng)控制計(jì)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(xiàn)快速內(nèi)部電流環(huán)路，你就無(wú)須使用昂貴的DSP?！　∥⒖刂破鲗?duì)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(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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)。要使電源增加功能、降低成本、減少部件數(shù)量、節(jié)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?！　?shù)字技術(shù)的好處　　改用數(shù)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(shù)量，乃是因?yàn)橐粋€(gè)微控制器就可以代替視窗檢測(cè)器、比較器和鎖存器。當(dāng)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(jié)省下來(lái)的電路板空間，就能使你縮小電源設(shè)計(jì)本身的尺寸，并通過(guò)增強(qiáng)供電的功率級(jí)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?cè)谖⒖刂破魃线\(yùn)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(dú)特的設(shè)計(jì)要求，而且標(biāo)準(zhǔn)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(shù)微控制器都具有代碼保護(hù)功能來(lái)防止對(duì)固件的“窺探”，你就可以用軟件滾動(dòng)運(yùn)行你的設(shè)計(jì)的各部分，從而提高設(shè)計(jì)的安全性。而對(duì)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(shè)計(jì)，還簡(jiǎn)化了初始的設(shè)計(jì)工作。你確定了微控制器需要訪(fǎng)問(wèn)哪些信號(hào)之后，就可以完成和交付電路板布局，并把微控制器需要執(zhí)行的任務(wù)細(xì)節(jié)推后考慮。在等待樣機(jī)完工的同時(shí)，你可以編寫(xiě)很多固件代碼，因?yàn)榇蠖鄶?shù)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(jī)，特殊的調(diào)試代碼便可以幫助完成調(diào)試過(guò)程，并可很容易地從樣機(jī)過(guò)渡到正式產(chǎn)品。例如，調(diào)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(yàn)和排除故障的系統(tǒng)中的每個(gè)元件?！　”O(jiān)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(jiān)控電路。監(jiān)控電路對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)控，并負(fù)責(zé)通電、中止啟動(dòng)和故障防護(hù)。任何電源都可以使用的一種簡(jiǎn)單的滯后窗口比較器對(duì)電源的輸入電壓進(jìn)行監(jiān)視，而且僅僅在輸入電壓處于有效輸入范圍之內(nèi)時(shí)才啟動(dòng)電源電路（圖1）。當(dāng)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(shù)輸入端的微控制器代替監(jiān)控電路，只需要一個(gè)分壓器來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)電壓（圖2）。微控制器允許你任意設(shè)置和調(diào)節(jié)電源工作期間的初始極限和滯后窗口。使用內(nèi)置的計(jì)時(shí)器，你可以給監(jiān)控器的行為增加計(jì)時(shí)功能，從而允許一定量的過(guò)壓，只要它的持續(xù)時(shí)間不太長(zhǎng)就行。由于監(jiān)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(jiān)控電路而導(dǎo)致的延遲都不會(huì)是至關(guān)緊要的。　　微控制器還能夠啟用引腳監(jiān)控電路，在引腳監(jiān)控電路中，微控制器監(jiān)控插入電源的啟動(dòng)引腳，并采取相應(yīng)動(dòng)作（圖3）。這種方法允許你實(shí)現(xiàn)正邏輯啟動(dòng)或負(fù)的邏輯啟動(dòng)，并使用內(nèi)置的計(jì)時(shí)器和簡(jiǎn)單的編碼來(lái)增加抗抖動(dòng)和起伏的防護(hù)，從而阻止發(fā)生電源電壓快速起伏周期。當(dāng)微處理器和其它故障防護(hù)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(jī)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(shù)，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(jì)時(shí)功能組合在一起，你就可以制定復(fù)雜的監(jiān)控方案。請(qǐng)注意，對(duì)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(hù)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(duì)典型的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行全面的數(shù)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。微代碼控制著軟啟動(dòng)、頻率以及最小和最大占空因數(shù)。任何與現(xiàn)成 PWM 芯片打交道的人，都會(huì)體會(huì)到對(duì)該芯片的行為進(jìn)行某些控制的好處。 　　向全數(shù)字控制環(huán)路邁進(jìn)了一步的是一種使用一個(gè)快速內(nèi)部模擬電流環(huán)路和一帶寬較小的外部數(shù)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(qiáng)的 PWM 作為這類(lèi)應(yīng)用的 DAC（圖5）。在本例中，微控制器利用這種10位 ADC 監(jiān)控電源的輸出電壓，并把 EA（誤差放大器）信號(hào)作為外部模擬 PWM來(lái)控制。對(duì)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(hào)。 Tiny15L 缺乏硬件倍增器，因此它只能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)真正模擬式控制算法的硬件倍增器。 　　電源設(shè)計(jì)增加了微控制器，就可提高性能，降低成本。首先，你要檢查當(dāng)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(nèi)部振蕩器的微控制器、適當(dāng)數(shù)量的計(jì)時(shí)器、監(jiān)視計(jì)時(shí)器復(fù)位器和模擬外設(shè)（如ADC）、比較器和數(shù)字信號(hào)。你或許只需要最少的程序存儲(chǔ)器空間。接下來(lái)，你應(yīng)該會(huì)在以后的電路板設(shè)計(jì)中享受微控制器帶來(lái)的靈活性和經(jīng)濟(jì)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(jiān)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(nèi)時(shí)啟動(dòng)這些電源電路。 　　圖2 具有模/數(shù)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(jiān)控電路”。 　　圖4 把微控制器對(duì) PWM 的支持與模擬控制配合使用，便產(chǎn)生了一種實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的混合技術(shù)。 　　圖5 一種實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的混合技術(shù)，就是利用微控制器來(lái)監(jiān)控電源的輸出電壓，并驅(qū)動(dòng)外部 PWM 器件。