微控制器在开关电源中的应用司

微控制器在开关电源中的应用

　微控制器作为一种减少元件数量、提高性能的手段，正在高密度开关电源设计中得到应用。　　10 年前我在研究生院的时候，一个控制器小组向功率电子设备中心建议在电源中使用一种先进的微控制器。这种微控制器用于实现新型神经网络控制器，以解决功率电子设备中的所有非线性控制问题。该控制器小组回复说，这种微控制器的成本至少约为 100 美元。于是这场讨论嘎然停止，因为整个电源的售价比这块芯片还要便宜。 　　微控制器要在电源中切实可用，其成本必须降低将近两个数量级才成。如今，UPS 系统、功率因子校正离线电源、隔离的 DC/DC 变换器、微处理器电源和负载点单列直插式封装都开始使用微控制器。微控制器有一个更恰当的名字，就是单片系统(SOC)，因为现代微控制器其实是模拟/数字器件与板上振荡器、ADC和比较器的组合体（参见附文《什么是微控制器，为何要使用它？》）。 　　微控制器目前及将来在电源中的实际用途，从简单的监控功能到全数字闭环控制不一而足。监控功能包括启动控制计时、同步整流器控制、使能电路和故障逻辑。（如适用于过压和过热状态的故障逻辑）。闭环控制需要性能更高的控制器，但是，通过模拟技术来实现快速内部电流环路，你就无须使用昂贵的DSP。　　微控制器对于许多电源都是非常有用的，但本文着重讨论的是高密度开关电源。这类电源必须具备效率高、功能多、封装小和价格具有竞争优势等特点。要使电源增加功能、降低成本、减少部件数量、节省电路板面积，就必须使用微控制器。由于这类电源的体积小又具有开关特性，所以控制器需要能在噪声较大的环境中工作。　　数字技术的好处　　改用数字技术有一个好处，就是价格 1 美元的微控制器通常可以取代多个模拟电路。这种方法之所以可以降低材料成本和部件数量，乃是因为一个微控制器就可以代替视窗检测器、比较器和锁存器。当将这些元部件集成为一个装置的时候，你就可以提高可靠性、效率和安全性。使用的元部件较少意味着产生缺陷的可能性较小，而且还可空出一些电路板空间。在高密度变换器中，有较多的电路板空间意味着有更多地方来安装功率元件，以及额外的传输电流的铜线提高了效率。你利用微控制器节省下来的电路板空间，就能使你缩小电源设计本身的尺寸，并通过增强供电的功率级来改善产品的散热性能。 　　使用微控制器还有另一个好处，就是通过改变在微控制器上运行的微代码，可以利用同样的印刷电路板和元件制造出某种电源的多个版本。每种电源可满足一些独特的设计要求，而且标准电源产品有时也可以利用定制的微代码来满足这些要求。由于多数微控制器都具有代码保护功能来防止对固件的“窥探”，你就可以用软件滚动运行你的设计的各部分，从而提高设计的安全性。而对配备微控制器的产品进行倒序制造则要困难得多。　　微控制器的灵活性不仅允许修改设计，还简化了初始的设计工作。你确定了微控制器需要访问哪些信号之后，就可以完成和交付电路板布局，并把微控制器需要执行的任务细节推后考虑。在等待样机完工的同时，你可以编写很多固件代码，因为大多数微控制器制造商都提供优良的仿真工具。一旦你做出了样机，特殊的调试代码便可以帮助完成调试过程，并可很容易地从样机过渡到正式产品。例如，调试代码可以仿真或禁用特定的故障条件，以便更好地隔离你正在检验和排除故障的系统中的每个元件。　　监督控制功能　　开始在电源中使用微控制器的最简便方法是用它代替监控电路。监控电路对电源进行监控，并负责通电、中止启动和故障防护。任何电源都可以使用的一种简单的滞后窗口比较器对电源的输入电压进行监视，而且仅仅在输入电压处于有效输入范围之内时才启动电源电路（图1）。当输入电压接近其极限时，你就需要用“滞后”来防止电源电压迅速起伏。　　用具有模/数输入端的微控制器代替监控电路，只需要一个分压器来调节被测电压（图2）。微控制器允许你任意设置和调节电源工作期间的初始极限和滞后窗口。使用内置的计时器，你可以给监控器的行为增加计时功能，从而允许一定量的过压，只要它的持续时间不太长就行。由于监控电路的这种次要作用，使用任何由于用微控制器代替这一监控电路而导致的延迟都不会是至关紧要的。　　微控制器还能够启用引脚监控电路，在引脚监控电路中，微控制器监控插入电源的启动引脚，并采取相应动作（图3）。这种方法允许你实现正逻辑启动或负的逻辑启动，并使用内置的计时器和简单的编码来增加抗抖动和起伏的防护，从而阻止发生电源电压快速起伏周期。当微处理器和其它故障防护电路一起使用时，你可以增加“启动禁止”功能，用以防止在任何启动后再次直接启动，以便故障关机能使所有电路在重新启动之前完全放电。　　微控制器允许你按需确定启动次数，以解决排序问题。只要把微控制器的故障逻辑电路、启动电路和计时功能组合在一起，你就可以制定复杂的监控方案。请注意，对于任何暴露在外的引脚来说，电源干线二极管和串联电阻器等保护电路都是很重要的。　　闭环控制　　令人遗憾的是，今天的廉价微控制器缺乏足够高的处理能力和速度，不能对典型的开关电源进行全面的数字闭环控制。把模拟 PWM 集成到微控制器中，例如 Microchip 公司的PIC16C781，就可以形成一种进行闭环控制的混合技术（图4）。这种器件使用高速比较器来控制脉冲宽度。微代码控制着软启动、频率以及最小和最大占空因数。任何与现成 PWM 芯片打交道的人，都会体会到对该芯片的行为进行某些控制的好处。 　　向全数字控制环路迈进了一步的是一种使用一个快速内部模拟电流环路和一带宽较小的外部数字控制环路的混合控制方案。例如，你可以使用 Atmel 公司的 ATTiny15L 型PLL 频率增强的 PWM 作为这类应用的 DAC（图5）。在本例中，微控制器利用这种10位 ADC 监控电源的输出电压，并把 EA（误差放大器）信号作为外部模拟 PWM来控制。对微控制器输出的 150 kHz PWM 取平均值，就可以产生这一模拟信号。 Tiny15L 缺乏硬件倍增器，因此它只能实现一种有限的控制算法。价格较为昂贵的 Atmel ATMega8 包含有一个足以实现真正模拟式控制算法的硬件倍增器。 　　电源设计增加了微控制器，就可提高性能，降低成本。首先，你要检查当前的电源，并确定微控制器可以代替哪些功能。然后，选择一种集成了内部振荡器的微控制器、适当数量的计时器、监视计时器复位器和模拟外设（如ADC）、比较器和数字信号。你或许只需要最少的程序存储器空间。接下来，你应该会在以后的电路板设计中享受微控制器带来的灵活性和经济性的好处。　　图片说明　　图1 一个简单的滞后窗口比较器监控电源的输入电压，而且仅仅在输入电压处于有效输入范围之内时启动这些电源电路。 　　图2 具有模/数输入端的微控制器可以取代模拟窗口比较器。 　　图3 微控制器可以很方便地用来代替“启动引脚监控电路”。 　　图4 把微控制器对 PWM 的支持与模拟控制配合使用，便产生了一种实现闭环控制的混合技术。 　　图5 一种实现闭环控制的混合技术，就是利用微控制器来监控电源的输出电压，并驱动外部 PWM 器件。