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技术达人谈开关电源的单片机控制

钜大LARGE  |  点击量:110次  |  2020年05月20日  

摘要
开关电源的主要作用就是控制开关管的开通及关断时间比率,随着越来越多的人投身单片机技术,单片机当中的开关电源技术逐渐成为电源设计者们讨论的话题,本篇文章主要是一位电源高手发表了自己对单片机当中开关电源控制的一 ...

开关电源的重要用途就是控制开关管的开通及关断时间比率,随着越来越多的人投身单片机技术,单片机当中的开关电源技术逐渐成为电源设计者们讨论的话题,本篇文章重要是一位电源高手发表了自己对单片机当中开关电源控制的一些看法。


在单片机控制开关电源当中,单从对电源输出的控制角度来说,能够有如下有几种控制方式:


第一种是单片机输出一个电压(经DA芯片或pWM方式),用作电源的基准电压。这种方式仅仅是用单片机代替了原来的基准电压,可以用按键输入电源的输出电压值,单片机并没有加入电源的反馈环,电源电路并没有什么改动。这种方式最简单。


第二种是单片机扩展AD,不断检测电源的输出电压,根据电源输出电压与设定值之差,调整DA的输出,控制pWM芯片,间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中,代替原来的比较放大环节,单片机的程序要采用比较复杂的pID算法。


第三种是单片机扩展AD,不断检测电源的输出电压,根据电源输出电压与设定值之差,输出pWM波,直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。


假如想要彻底的实现单片机控制开关电源,那么我们要选择第三种方式。但是这种方式对单片机的要求比较高,十分考验单片机的运算速度,并且能够输出高频率的pWM波。当然相对的,这种单片机的售价也更加高昂。所以从成本上考虑,虽然DSp类的单片机在速度上有优势,但是价格也更高,对成本的要求也更高,所以不适合采用。


假如想要控制成本的话,我们就可以采用廉价单片机。在廉价单片机中,AVR系列最快并且具有pWM输出可以考虑采用。但AVR单片机的工作频率仍不够高,只能是勉强使用。下面我们具体计算一下AVR单片机直接控制开关电源工作可以达到什么水平。


AVR单片机中,时钟频率最高为16MHz。假如pWM分辨率为10位,那么pWM波的频率也就是开关电源的工作频率为16000000/1024=15625(Hz),开关电源工作在这个频率下显然不够(在音频范围内)。那么取pWM分辨率为9位,这次开关电源的工作频率为16000000/512=32768(Hz),在音频范围外,可以用,但距离现代开关电源的工作频率还有一定距离。不过必须注意,9位分辨率是说功率管导通-关断这个周期中,可以分成512份,单就导通而言,假定占空比为0。5,则只能分成256份。考虑到脉冲宽度与电源的输出并非线性关系,要至少再打个对折,也就是说,电源输出最多只能控制到1/128,无论负载变化还是网电源电压变化,控制的程度只能到此为止。


还要注意,上面所述只有一个pWM波,是单端工作。假如要推挽工作(包括半桥),那就要两个pWM波,上述控制精度还要减半,只能控制到约1/64。对要求不高的电源例如电池充电,可以满足使用要求,但对要求输出精度较高的电源,这就不够了。


综上所述,AVR单片机只能很勉强地使用在直接控制pWM的方式中。


但是上列第二种控制方式,即单片机调整DA的输出,控制pWM芯片,间接控制电源的工作,却对单片机没有那么高的要求,51系列单片机已可胜任。而51系列单片机的价格比AVR还是低一些。


有的朋友表示,单片机控制开关电源的缺点在于动态响应不够,优点是设计的弹性好,如保护和通讯,我的想法是单片机和pWM芯片相结合,现在的一般单片机的pWM输出的频率普遍还不是太高,频率太高,想要实现单周期控制也很难。所以我觉得单片机可是完成一些弹性的模拟给定,后面还有pWM芯片完成一些工作。”


无独有偶,在我看到的一篇文章当中,也是用数字电路输出pWM波直接控制开关电源工作。他是用CpLD再加单片机进行控制。众所周知CpLD的价格以及开发难度绝非单片机可比,那么他为何要这样做?原因如作者所说,由于单片机的pWM宽度小,导致精度低,不能满足系统的要求。作者又说,在这些情况下,应用片外pWM电路无疑是一种理想的选择。他选择CpLD芯片来实现pWM。我则建议:还是用开关电源原来的控制芯片来实现。不但价格低,而且容易实现单周期电流检测等保护功能。我们大可不必为数字控制而数字控制。


这位技术达人不仅从电源输出的控制角度将单片机的开关电源控制进行了分类,还从成本的角度出发分析了哪种芯片更适合作为开关电源的控制。相信大家在看过这位达人的分析之后能够对单片机的开关电源设计出现更多的想法。


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