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技術達人談開關電源、高壓電源的單片機控制

2016/06/08

  開關電源、高壓電源的主要作用就是控制開關管的開通及關斷時間比率,隨著越來越多的人投身單片機技術,單片機當中的開關電源技術逐漸成為電源設計者們討論的話題,本篇文章主要是一位電源高手發表了自己對單片機當中開關電源控制的一些看法。
  在單片機控制開關電源當中,單從對電源輸出的控制角度來說,能夠有如下有幾種控制方式:
  第一種是單片機輸出一個電壓(經DA芯片或PWM方式),用作電源的基準電壓。這種方式僅僅是用單片機代替了原來的基準電壓,可以用按鍵輸入電源的輸出電壓值,單片機并沒有加入電源的反饋環,電源電路并沒有什么改動。這種方式最簡單。
  第二種是單片機擴展AD,不斷檢測電源的輸出電壓,根據電源輸出電壓與設定值之差,調整DA的輸出,控制PWM芯片,間接控制電源的工作。這種方式單片機已加入到電源的反饋環中,代替原來的比較放大環節,單片機的程序要采用比較復雜的PID算法。
  第三種是單片機擴展AD,不斷檢測電源的輸出電壓,根據電源輸出電壓與設定值之差,輸出PWM波,直接控制電源的工作。這種方式單片機介入電源工作最多。
  如果想要徹底的實現單片機控制開關電源,那么我們要選擇第三種方式。但是這種方式對單片機的要求比較高,十分考驗單片機的運算速度,并且能夠輸出高頻率的PWM波。當然相對的,這種單片機的售價也更加高昂。所以從成本上考慮,雖然DSP類的單片機在速度上有優勢,但是價格也更高,對成本的要求也更高,所以不適合采用。
  如果想要控制成本的話,我們就可以采用廉價單片機。在廉價單片機中,AVR系列最快并且具有PWM輸出可以考慮采用。但AVR單片機的工作頻率仍不夠高,只能是勉強使用。下面我們具體計算一下AVR單片機直接控制開關電源工作可以達到什么水平。
  AVR單片機中,時鐘頻率最高為16MHz。如果PWM分辨率為10位,那么PWM波的頻率也就是開關電源的工作頻率為16000000/1024=15625(Hz),開關電源工作在這個頻率下顯然不夠(在音頻范圍內)。那么取PWM分辨率為9位,這次開關電源的工作頻率為16000000/512=32768(Hz),在音頻范圍外,可以用,但距離現代開關電源的工作頻率還有一定距離。
  不過必須注意,9位分辨率是說功率管導通-關斷這個周期中,可以分成512份,單就導通而言,假定占空比為0。5,則只能分成256份。考慮到脈沖寬度與電源的輸出并非線性關系,需要至少再打個對折,也就是說,電源輸出最多只能控制到1/128,無論負載變化還是網電源電壓變化,控制的程度只能到此為止。
  還要注意,上面所述只有一個PWM波,是單端工作。如果要推挽工作(包括半橋),那就需要兩個PWM波,上述控制精度還要減半,只能控制到約1/64。對要求不高的電源例如電池充電,可以滿足使用要求,但對要求輸出精度較高的電源,這就不夠了。
  綜上所述,AVR單片機只能很勉強地使用在直接控制PWM的方式中。
  但是上列第二種控制方式,即單片機調整DA的輸出,控制PWM芯片,間接控制電源的工作,卻對單片機沒有那么高的要求,51系列單片機已可勝任。而51系列單片機的價格比AVR還是低一些。
  有的朋友表示,單片機控制開關電源的缺點在于動態響應不夠,優點是設計的彈性好,如保護和通訊,我的想法是單片機和PWM芯片相結合,現在的一般單片機的PWM輸出的頻率普遍還不是太高,頻率太高,想要實現單周期控制也很難。所以我覺得單片機可是完成一些彈性的模擬給定,后面還有PWM芯片完成一些工作。"
  無獨有偶,在我看到的一篇文章當中,也是用數字電路輸出PWM波直接控制開關電源工作。他是用CPLD再加單片機進行控制。眾所周知CPLD的價格以及開發難度絕非單片機可比,那么他為什么要這樣做?原因如作者所說,由于單片機的PWM寬度小,導致精度低,不能滿足系統的要求。作者又說,在這些情況下,應用片外PWM電路無疑是一種理想的選擇。他選擇CPLD芯片來實現PWM。我則建議:還是用開關電源原來的控制芯片來實現。不但價格低,而且容易實現單周期電流檢測等保護功能。我們大可不必為數字控制而數字控制。
  這位技術達人不僅從電源輸出的控制角度將單片機的開關電源控制進行了分類,還從成本的角度出發分析了哪種芯片更適合作為開關電源的控制。相信大家在看過這位達人的分析之后能夠對單片機的開關電源設計產生更多的想法。

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