8位單片機(jī)在鎮(zhèn)流器和功率因數(shù)校正中的應(yīng)用

　　結(jié)合基本的軟件定時(shí)器中斷技巧以及許多單片機(jī)中都有的10位硬件PWM模塊，可以很容易地產(chǎn)生高分辨率的可變頻率數(shù)字信號(hào)。利用CCP模塊中內(nèi)建的中斷機(jī)制，可以在100kHz附近獲得以64Hz為步進(jìn)增量的可調(diào)節(jié)頻率信號(hào)，同時(shí)僅需要占用很少的單片機(jī)指令周期。

　　數(shù)字控制下的模擬電壓縮放

　　現(xiàn)在回到關(guān)于PFC的討論，我們明確了需要為連續(xù)電流模式方案生成一個(gè)與輸入交流電源正弦電壓同相的參考波形。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是利用PWM模塊產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓(PWM輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)低通濾波器，如圖4所示)，然后再根據(jù)單片機(jī)中存儲(chǔ)的查找表來改變輸出頻率和幅度。但這種產(chǎn)生模擬參考信號(hào)的方法非常耗費(fèi)資源，因此將這一方法作為動(dòng)態(tài)軟件反饋環(huán)的一部分比較困難。

　　控制線性信號(hào)的另一種方法是用數(shù)字方式對(duì)模擬信號(hào)的幅度進(jìn)行縮放。例如，PFC電路通過比例縮小輸入交流主電源波形為逆變器的初始升壓部分，生成一個(gè)參考信號(hào)。這種按比例縮放保證了對(duì)交流電源的負(fù)載與電壓成比例，逆變器看起來是阻性的。在電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用中，逆變器必須根據(jù)其輸出的中間電壓數(shù)值來縮放參考值，因此實(shí)現(xiàn)PFC時(shí)需要一種方法來縮放PFC用做參考的交流信號(hào)(參考文獻(xiàn)3)。

　　數(shù)字分壓器是實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)比例縮放的最簡(jiǎn)單方法。然而，對(duì)于低頻率的模擬系統(tǒng)，如電子鎮(zhèn)流器的交流電源，可采用基于CCP的另一種方法。

　　這一方法采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的低通RC濾波器，一個(gè)MOSFET晶體管和一個(gè)數(shù)字PWM輸出，如圖5所示。低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率必須是模擬功率信號(hào)最大頻率的100倍左右，這樣濾波器的響應(yīng)特性才不會(huì)影響到信號(hào)的幅度或相位。同樣，PWM頻率必須是RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率的約200倍，這樣PWM頻率就不會(huì)超過濾波器能量限制。

　　圖5的電路利用PWM信號(hào)調(diào)制Q1 MOSFET，從而對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了“短接”。此外，這一電路僅允許原始模擬信號(hào)的一個(gè)特定百分比通過濾波器輸出。允許通過濾波器的輸入信號(hào)百分比由PWM占空比決定，而這一占空比受單片機(jī)的軟件控制。然后，一個(gè)一階低通濾波器(由R2和C1組成)濾除PWM信號(hào)中的調(diào)頻成份，并將信 號(hào)平滑為原始正弦信號(hào)波形。結(jié)果就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬交流輸入電壓比例縮放電路，僅采用了幾個(gè)無源器件、一個(gè)晶體管和一個(gè)常見的數(shù)字PWM外設(shè)。

　　然而，需要注意這一技巧存在一些局限。

　　●模擬信號(hào)的最大頻率諧波必須小于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，才能防止信號(hào)失真；
　　●相對(duì)于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，PWM頻率越高，濾波器對(duì)PWM頻率的衰減越大；
　　●由于濾波器中電阻器分為兩個(gè)(R1和R2)，PWM信號(hào)所感受到的實(shí)際轉(zhuǎn)折頻率是模擬信號(hào)感受到頻率的兩倍。

　　軟件閉環(huán)控制

　　本設(shè)計(jì)中還需要的一部分是功率逆變器輸出和電子鎮(zhèn)流器PFC部分之間的反饋環(huán)。利用一個(gè)ADC通道測(cè)量直流總線輸出電壓，然后再將此信息饋送到PWM控制器，在PFC模塊內(nèi)確定模擬傳感器的比率，這樣就可以實(shí)現(xiàn)這一反饋。如圖6所示。

　　其它參數(shù)，如燈管的總電流消耗，可以利用單片機(jī)上的ADC通道采樣獲得。過去，僅僅是利用輸出電壓以及生成這一輸出電壓的模擬參考信號(hào)之間的直接比例相關(guān)，現(xiàn)在則可以將ADC測(cè)量結(jié)果送到更精密的軟件PID環(huán)濾波器，這樣可以獲得更好更平滑的閉環(huán)控制。

　　圖7給出了完整的設(shè)計(jì)，其中集成的嵌入式單片機(jī)同時(shí)用于PFC控制、電流控制反饋環(huán)和功率逆變輸入頻率控制(頻率增量最小為64Hz)。

　　PIC16F88X采樣PFC模塊輸出，并確定需要的頻率調(diào)整量，因?yàn)镻WM輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)字/模擬比例縮放電路。應(yīng)用中也使用了ECCP模塊的中斷機(jī)制驅(qū)動(dòng)半橋功率逆變器，利用簡(jiǎn)單的軟件抖動(dòng)方法獲得更精細(xì)的步進(jìn)值。

　　本設(shè)計(jì)中不再需要分立的PFC器件，只需要少量低成本無源外部元件和一個(gè)集成的模擬比較器。結(jié)合簡(jiǎn)單的軟件和硬件技巧，不需要采用更昂貴的解決方案(如帶有更高分辨率PWM模塊的器件或者外部專用PWM控制器)，利用集成的10位PWM模塊就可以獲得更好的頻率分辨率控制。

　　結(jié)論

　　充分利用8位嵌入式單片機(jī)中集成的模擬和數(shù)字電路，可以很容易地提高照明鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的總體性能并增加更多功能，同時(shí)還可以滿足更嚴(yán)格的政府法規(guī)要求。

參考文獻(xiàn)
[1] Microchip Technology Application Note AN809, “Digitally-Addressable DALI Dimming Ballast,” Ross Fosler, Microchip Technology Inc.; Cecilia Contenti and Tom Ribareich, International Rectifier.
[2]“A Technique to Increase the Frequency Resolution of PIC? MCU PWM Modules,” by Lucio Di Jasio, Microchip

Technology Inc.
[3]“Bit Bashing,” by Keith Curtis, Microchip Technology’s microSolutions e-Newsletter, Nov. 2006.