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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，正在高密度開關電源設計中得到應用。 十年前筆者在研究生院的時候，有一個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的微處理器。這種微處理器可以實現新型神經網絡控制器，以解決功率電子設備中的所有非線性控制問題。當問到價錢時，控制小組回答說，這種微控制器的成本不過是100美元左右。于是這場談論嘎然而止，因為整個電源的售價比這塊芯片還要便宜。 微控制器要在電源中切實可用，其成本必須降低近兩個數量級。如今，UPS系統，由電網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。微控制器有一個更恰當的名字，就是單片系統（SOC），因為現代微控制器其實是由模擬/數字器件、振蕩器、ADC和比較器組成。 微控制器目前及將來在電源中的實際應用，從簡單的監控功能到全數字閉環控制不一而足。監控功能包括啟動控制計時、同步整流器控制、啟動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的邏輯電路。閉環控制需要性能更好的控制器，但是，如果通過模擬技術來實現快速內部電流環路，您就無須使用昂貴的DSP。 微控制器對于許多電源都是非常有用的，但本文著重談論的是高密度開關電源。這類電源必須具備效率高、功能多、封裝尺寸小以及價格具有競爭性。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。由于對大功率進行切換，所以控制器需在噪聲較大的環境中工作。 ·數字技術的優點 改用數字技術的一個優點，就是價錢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器件的時候，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，改善產品的散熱性能。 使用微控制器的另一個優點是，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版本產品。每一種電源產品都可以滿足一些獨特的設計要求，而標準電源產品有時也可以利用定制的微控制器來滿足這些要求。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品進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，而且簡化了初期的設計工作。在確定了微控制器需要訪問哪些信號之后，便可以完成電路板的布局并且交付生產，至于微控制器需要執行的任務細節，可以在以后考慮。在等待樣機完工的同時，可以編寫很多固件程序，因為微控制器制造商多數能提供優良的仿真工具。一旦您做出了樣機，便可由特殊的調試程序來協助完成正式的產品。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元件。 ·監控功能 開始在電源中使用微控制器的最簡單方法，便是用它來代替監控電路。監控電路監控著電源，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的簡單比較器對電源的輸入電壓進行監視，只有在輸入電壓處于有效輸入范圍之內時才會啟動電源電路。當輸入電壓接近其極限時，就要用“滯環”來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，只需要用一個分壓器來調節被測電壓。 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的大小。利用微控制器中的計數器可以給監控器添加計時功能，從而允許一定量的過壓，只要過壓的持續時間不太長就行。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，都是關系不大的。 微控制器還能夠啟動接在啟動引腳上的監控電路。這樣，便可以實現正邏輯啟動或負邏輯啟動，并且用芯片上的計時器和簡單的程序來增加抗抖動和抗起伏能力，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，可以增加“啟動禁止”功能，以防止在一次啟動后立即再次啟動，務求因出現故障而關機時，全部電源都完全放電之后放可重新啟動。 使用微控制器時，可以按需要確定啟動次數，以解決排序問題。只要把微控制器的故障檢測邏輯電路、啟動電路和計時功能結合在一起，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說，接到供電電源端上的二極管和串聯電阻器等保護電路元件都是很重要的。 ·閉環控制 可惜今天的廉價微控制還缺乏足夠高的處理能力和速度，不能對典型的開關電源進行全面的數字閉環控制。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，就可以形成一種進行閉環控制的混合技術。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、頻率以及最大、最小占空比。任何與現成脈寬調制芯片打過交道的人，都會體會到對該芯片的行為進行某些控制的優點。 現在有有種混合控制方案，是把一個快速內部模擬電流環路和一帶寬較小的外部數字控制環路結合起來。這就向數字控制環路邁進了一步。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控制。對微控制器輸出的150kHz脈寬調制取平均值，就可以產生這一模擬信號。Tinyl5L缺乏硬件乘法器，因此它只能實現有限的控制算法。價格較為昂貴的AtmelATMega8則含有硬件乘法器，用它足以實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，其中集成了一個振蕩器、適當數量的計時器、監視計時器的復位器、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的靈活性和經濟性的優點了。 一種實現閉環控制的混合技術，就是利用微控制器來監控電源的輸出電壓，并驅動外部脈寬調制器件。 |
