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微處理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。 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計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。當問(wèn)到價(jià)錢(qián)時(shí)，控制小組回答說(shuō)，這種微控制器的成本不過(guò)是100美元左右。于是這場(chǎng)談?wù)摳氯欢�，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，其成本必須降低近兩個(gè)數量級。如今，UPS系統，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(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)是由模擬/數字器件、振蕩器、ADC和比較器組成。 微控制器目前及將來(lái)在電源中的實(shí)際應用，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、啟動(dòng)電路和故障檢測邏輯電路，例如用于檢測過(guò)電壓和過(guò)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(guò)模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現快速內部電流環(huán)路，您就無(wú)須使用昂貴的DSP。 微控制器對于許多電源都是非常有用的，但本文著(zhù)重談?wù)摰氖歉呙芏乳_(kāi)關(guān)電源。這類(lèi)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、減少部件數量、節省電路板面積，就必須使用微控制器。由于對大功率進(jìn)行切換，所以控制器需在噪聲較大的環(huán)境中工作。 ·數字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 改用數字技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是價(jià)錢(qián)為一美元的微控制器通�？梢匀〈芏�模擬電路。這種方法之所以能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窗口檢測器、比較器和鎖存器。當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(zhù)在制造時(shí)出現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(zhù)有更多地方來(lái)安裝功率元件以及布置更多傳輸電流的銅線(xiàn)，以便提高效率。利用微控制器可以節省電路板空間，因而縮小電源本身的尺寸，增強供電的功率級，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，只要改變在微控制器上運行的微程序，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(mǎn)足一些獨特的設計要求，而標準電源產(chǎn)品有時(shí)也可以利用定制的微控制器來(lái)滿(mǎn)足這些要求。由于多數微控制器都有程序保護功能以防他人“窺探”固件，在部份設計中加一些軟件就可以提高設計的安全性。對使用微控制器的產(chǎn)品進(jìn)行逆向設計要困難得多。 微控制器的靈活性不僅表現在可以修改設計，而且簡(jiǎn)化了初期的設計工作。在確定了微控制器需要訪(fǎng)問(wèn)哪些信號之后，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行的任務(wù)細節，可以在以后考慮。在等待樣機完工的同時(shí)，可以編寫(xiě)很多固件程序，因為微控制器制造商多數能提供優(yōu)良的仿真工具。一旦您做出了樣機，便可由特殊的調試程序來(lái)協(xié)助完成正式的產(chǎn)品。例如，調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和排除故障的系統中的每一個(gè)元件。 ·監控功能 開(kāi)始在電源中使用微控制器的最簡(jiǎn)單方法，便是用它來(lái)代替監控電路。監控電路監控著(zhù)電源，并負責接通電源、中止運作和保護。任何電源都可以使用一種具有滯環(huán)的簡(jiǎn)單比較器對電源的輸入電壓進(jìn)行監視，只有在輸入電壓處于有效輸入范圍之內時(shí)才會(huì )啟動(dòng)電源電路。當輸入電壓接近其極限時(shí)，就要用“滯環(huán)”來(lái)防止電源電壓出現迅速起伏。 具有模/數輸入的微控制器代替監控電路，只需要用一個(gè)分壓器來(lái)調節被測電壓。 有了微控制器，就可以任意設置和調節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數器可以給監控器添加計時(shí)功能，從而允許一定量的過(guò)壓，只要過(guò)壓的持續時(shí)間不太長(cháng)就行。由于監控電路的作用是次要的，所以用微控制器代替這一監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)引腳上的監控電路。這樣，便可以實(shí)現正邏輯啟動(dòng)或負邏輯啟動(dòng)，并且用芯片上的計時(shí)器和簡(jiǎn)單的程序來(lái)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)求因出現故障而關(guān)機時(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，以解決排序問(wèn)題。只要把微控制器的故障檢測邏輯電路、啟動(dòng)電路和計時(shí)功能結合在一起，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)，接到供電電源端上的二極管和串聯(lián)電阻器等保護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，不能對典型的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行全面的數字閉環(huán)控制。像Microchip公司的PIC16C781那樣把模擬脈寬調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(lái)控制脈沖寬度。微程序控制著(zhù)軟啟動(dòng)、頻率以及最大、最小占空比。任何與現成脈寬調制芯片打過(guò)交道的人，都會(huì )體會(huì )到對該芯片的行為進(jìn)行某些控制的優(yōu)點(diǎn)。 現在有有種混合控制方案，是把一個(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)路結合起來(lái)。這就向數字控制環(huán)路邁進(jìn)了一步。例如，可以用Atmel公司的ATTinyl5L型PLL頻率增強脈寬調制芯片作為這類(lèi)應用的DAC。 在本例中，微控制器利用這種10位ADC監控電源的輸出電壓，并把誤差放大器（EA）信號作為外部模擬脈寬調制來(lái)控制。對微控制器輸出的150kHz脈寬調制取平均值，就可以產(chǎn)生這一模擬信號。Tinyl5L缺乏硬件乘法器，因此它只能實(shí)現有限的控制算法。價(jià)格較為昂貴的AtmelATMega8則含有硬件乘法器，用它足以實(shí)現真正的模擬式控制算法。 電源設計增加了微控制器，就可提高性能，降低成本。首先，您要檢查當前的電源，并確定微控制器可以代替哪些功能。然后，選擇一種微控制器，其中集成了一個(gè)振蕩器、適當數量的計時(shí)器、監視計時(shí)器的復位器、模擬外設如ADC等，比較器和數字信號的功能。也許您需要的程序存儲器空間很少。結果，在下一輪電路板設計中您就該享受到微控制器帶來(lái)的靈活性和經(jīng)濟性的優(yōu)點(diǎn)了。 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)外部脈寬調制器件。 |
