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微處理器作為一種減少元件數(shù)量，提高性能的手段，正在高密度開關(guān)電源設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。 十年前筆者在研究生院的時(shí)候，有一個(gè)控制器小組向功率電子設(shè)計(jì)中建議在電源中使用一種先進(jìn)的微處理器。這種微處理器可以實(shí)現(xiàn)新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，以解決功率電子設(shè)備中的所有非線性控制問題。當(dāng)問到價(jià)錢時(shí)，控制小組回答說，這種微控制器的成本不過是100美元左右。于是這場談?wù)摳氯欢梗驗(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，其成本必須降低近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。如今，UPS系統(tǒng)，由電網(wǎng)供電的功率因素校正電源、隔離式DC/DC變換器和微處理器的電源都開始使用微控制器。微控制器有一個(gè)更恰當(dāng)?shù)拿郑褪菃纹到y(tǒng)（SOC），因?yàn)楝F(xiàn)代微控制器其實(shí)是由模擬/數(shù)字器件、振蕩器、ADC和比較器組成。 微控制器目前及將來在電源中的實(shí)際應(yīng)用，從簡單的監(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、啟動(dòng)電路和故障檢測邏輯電路，例如用于檢測過電壓和過熱狀態(tài)的邏輯電路。閉環(huán)控制需要性能更好的控制器，但是，如果通過模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速內(nèi)部電流環(huán)路，您就無須使用昂貴的DSP。 微控制器對(duì)于許多電源都是非常有用的，但本文著重談?wù)摰氖歉呙芏乳_關(guān)電源。這類電源必須具備效率高、功能多、封裝尺寸小以及價(jià)格具有競爭性。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。由于對(duì)大功率進(jìn)行切換，所以控制器需在噪聲較大的環(huán)境中工作。 ·數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 改用數(shù)字技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是價(jià)錢為一美元的微控制器通常可以取代很多模擬電路。這種方法之所以能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窗口檢測器、比較器和鎖存器。當(dāng)將這些元部件集成為一個(gè)器件的時(shí)候，就可以提高可靠性、效率和安全性。使用的元件較少，意味著在制造時(shí)出現(xiàn)缺陷的可能性也較小，而且還可騰出一些電路空間。在高密度變換器中有較多的電路空間，意味著有更多地方來安裝功率元件以及布置更多傳輸電流的銅線，以便提高效率。利用微控制器可以節(jié)省電路板空間，因而縮小電源本身的尺寸，增強(qiáng)供電的功率級(jí)，改善產(chǎn)品的散熱性能。 使用微控制器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，只要改變?cè)谖⒖刂破魃线\(yùn)行的微程序，就可以用同樣的印刷電路板和元件制造一種電源的幾個(gè)版本產(chǎn)品。每一種電源產(chǎn)品都可以滿足一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)要求，而標(biāo)準(zhǔn)電源產(chǎn)品有時(shí)也可以利用定制的微控制器來滿足這些要求。由于多數(shù)微控制器都有程序保護(hù)功能以防他人“窺探”固件，在部份設(shè)計(jì)中加一些軟件就可以提高設(shè)計(jì)的安全性。對(duì)使用微控制器的產(chǎn)品進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)要困難得多。 微控制器的靈活性不僅表現(xiàn)在可以修改設(shè)計(jì)，而且簡化了初期的設(shè)計(jì)工作。在確定了微控制器需要訪問哪些信號(hào)之后，便可以完成電路板的布局并且交付生產(chǎn)，至于微控制器需要執(zhí)行的任務(wù)細(xì)節(jié)，可以在以后考慮。在等待樣機(jī)完工的同時(shí)，可以編寫很多固件程序，因?yàn)槲⒖刂破髦圃焐潭鄶?shù)能提供優(yōu)良的仿真工具。一旦您做出了樣機(jī)，便可由特殊的調(diào)試程序來協(xié)助完成正式的產(chǎn)品。例如，調(diào)試程序可以仿真或禁止使用特定的故障條件，以便更好地隔離您正在檢驗(yàn)和排除故障的系統(tǒng)中的每一個(gè)元件。 ·監(jiān)控功能 開始在電源中使用微控制器的最簡單方法，便是用它來代替監(jiān)控電路。監(jiān)控電路監(jiān)控著電源，并負(fù)責(zé)接通電源、中止運(yùn)作和保護(hù)。任何電源都可以使用一種具有滯環(huán)的簡單比較器對(duì)電源的輸入電壓進(jìn)行監(jiān)視，只有在輸入電壓處于有效輸入范圍之內(nèi)時(shí)才會(huì)啟動(dòng)電源電路。當(dāng)輸入電壓接近其極限時(shí)，就要用“滯環(huán)”來防止電源電壓出現(xiàn)迅速起伏。 具有模/數(shù)輸入的微控制器代替監(jiān)控電路，只需要用一個(gè)分壓器來調(diào)節(jié)被測電壓。 有了微控制器，就可以任意設(shè)置和調(diào)節(jié)電源工作期間的初始期限和滯環(huán)的大小。利用微控制器中的計(jì)數(shù)器可以給監(jiān)控器添加計(jì)時(shí)功能，從而允許一定量的過壓，只要過壓的持續(xù)時(shí)間不太長就行。由于監(jiān)控電路的作用是次要的，所以用微控制器代替這一監(jiān)控電路而造成的任何額外延遲，都是關(guān)系不大的。 微控制器還能夠啟動(dòng)接在啟動(dòng)引腳上的監(jiān)控電路。這樣，便可以實(shí)現(xiàn)正邏輯啟動(dòng)或負(fù)邏輯啟動(dòng)，并且用芯片上的計(jì)時(shí)器和簡單的程序來增加抗抖動(dòng)和抗起伏能力，從而阻止電源電壓的快速起伏。當(dāng)微控制器配合其它電路一起使用時(shí)，可以增加“啟動(dòng)禁止”功能，以防止在一次啟動(dòng)后立即再次啟動(dòng)，務(wù)求因出現(xiàn)故障而關(guān)機(jī)時(shí)，全部電源都完全放電之后放可重新啟動(dòng)。 使用微控制器時(shí)，可以按需要確定啟動(dòng)次數(shù)，以解決排序問題。只要把微控制器的故障檢測邏輯電路、啟動(dòng)電路和計(jì)時(shí)功能結(jié)合在一起，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說，接到供電電源端上的二極管和串聯(lián)電阻器等保護(hù)電路元件都是很重要的。 ·閉環(huán)控制 可惜今天的廉價(jià)微控制還缺乏足夠高的處理能力和速度，不能對(duì)典型的開關(guān)電源進(jìn)行全面的數(shù)字閉環(huán)控制。像Microchip公司的PIC16C781那樣把模擬脈寬調(diào)制芯片集成到微控制器中，就可以形成一種進(jìn)行閉環(huán)控制的混合技術(shù)。這種器件用高速比較器來控制脈沖寬度。微程序控制著軟啟動(dòng)、頻率以及最大、最小占空比。任何與現(xiàn)成脈寬調(diào)制芯片打過交道的人，都會(huì)體會(huì)到對(duì)該芯片的行為進(jìn)行某些控制的優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)在有有種混合控制方案，是把一個(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)路結(jié)合起來。這就向數(shù)字控制環(huán)路邁進(jìn)了一步。例如，可以用Atmel公司的ATTinyl5L型PLL頻率增強(qiáng)脈寬調(diào)制芯片作為這類應(yīng)用的DAC。 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，并把誤差放大器（EA）信號(hào)作為外部模擬脈寬調(diào)制來控制。對(duì)微控制器輸出的150kHz脈寬調(diào)制取平均值，就可以產(chǎn)生這一模擬信號(hào)。Tinyl5L缺乏硬件乘法器，因此它只能實(shí)現(xiàn)有限的控制算法。價(jià)格較為昂貴的AtmelATMega8則含有硬件乘法器，用它足以實(shí)現(xiàn)真正的模擬式控制算法。 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，您要檢查當(dāng)前的電源，并確定微控制器可以代替哪些功能。然后，選擇一種微控制器，其中集成了一個(gè)振蕩器、適當(dāng)數(shù)量的計(jì)時(shí)器、監(jiān)視計(jì)時(shí)器的復(fù)位器、模擬外設(shè)如ADC等，比較器和數(shù)字信號(hào)的功能。也許您需要的程序存儲(chǔ)器空間很少。結(jié)果，在下一輪電路板設(shè)計(jì)中您就該享受到微控制器帶來的靈活性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)了。 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監(jiān)控電源的輸出電壓，并驅(qū)動(dòng)外部脈寬調(diào)制器件。 |
