技術(shù)達(dá)人談開(kāi)關(guān)電源的單片機(jī)控制

開(kāi)關(guān)電源的主要作用就是控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通及關(guān)斷時(shí)間比率，隨著越來(lái)越多的人投身單片機(jī)技術(shù)，單片機(jī)當(dāng)中的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)逐漸成為電源設(shè)計(jì)者們討論的話題，本篇文章主要是一位電源高手發(fā)表了自己對(duì)單片機(jī)當(dāng)中開(kāi)關(guān)電源控制的一些看法。

在單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中，單從對(duì)電源輸出的控制角度來(lái)說(shuō)，能夠有如下有幾種控制方式：

第一種是單片機(jī)輸出一個(gè)電壓(經(jīng)DA芯片或PWM方式)，用作電源的基準(zhǔn)電壓。這種方式僅僅是用單片機(jī)代替了原來(lái)的基準(zhǔn)電壓，可以用按鍵輸入電源的輸出電壓值，單片機(jī)并沒(méi)有加入電源的反饋環(huán)，電源電路并沒(méi)有什么改動(dòng)。這種方式最簡(jiǎn)單。

第二種是單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測(cè)電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，調(diào)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(jī)已加入到電源的反饋環(huán)中，代替原來(lái)的比較放大環(huán)節(jié)，單片機(jī)的程序要采用比較復(fù)雜的PID算法。

第三種是單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測(cè)電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，輸出PWM波，直接控制電源的工作。這種方式單片機(jī)介入電源工作最多。

如果想要徹底的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源，那么我們要選擇第三種方式。但是這種方式對(duì)單片機(jī)的要求比較高，十分考驗(yàn)單片機(jī)的運(yùn)算速度，并且能夠輸出高頻率的PWM波。當(dāng)然相對(duì)的，這種單片機(jī)的售價(jià)也更加高昂。所以從成本上考慮，雖然DSP類(lèi)的單片機(jī)在速度上有優(yōu)勢(shì)，但是價(jià)格也更高，對(duì)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(jià)單片機(jī)。在廉價(jià)單片機(jī)中，AVR系列最快并且具有PWM輸出可以考慮采用。但AVR單片機(jī)的工作頻率仍不夠高，只能是勉強(qiáng)使用。下面我們具體計(jì)算一下AVR單片機(jī)直接控制開(kāi)關(guān)電源工作可以達(dá)到什么水平。

AVR單片機(jī)中，時(shí)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(kāi)關(guān)電源的工作頻率為16000000/1024=15625(Hz)，開(kāi)關(guān)電源工作在這個(gè)頻率下顯然不夠(在音頻范圍內(nèi))。那么取PWM分辨率為9位，這次開(kāi)關(guān)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(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的工作頻率還有一定距離。不過(guò)必須注意，9位分辨率是說(shuō)功率管導(dǎo)通-關(guān)斷這個(gè)周期中，可以分成512份，單就導(dǎo)通而言，假定占空比為0。5，則只能分成256份?？紤]到脈沖寬度與電源的輸出并非線性關(guān)系，需要至少再打個(gè)對(duì)折，也就是說(shuō)，電源輸出最多只能控制到1/128，無(wú)論負(fù)載變化還是網(wǎng)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(gè)PWM波，是單端工作。如果要推挽工作(包括半橋)，那就需要兩個(gè)PWM波，上述控制精度還要減半，只能控制到約1/64。對(duì)要求不高的電源例如電池充電，可以滿足使用要求，但對(duì)要求輸出精度較高的電源，這就不夠了。

綜上所述，AVR單片機(jī)只能很勉強(qiáng)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(jī)調(diào)整DA的輸出，控制PWM芯片，間接控制電源的工作，卻對(duì)單片機(jī)沒(méi)有那么高的要求，51系列單片機(jī)已可勝任。而51系列單片機(jī)的價(jià)格比AVR還是低一些。

有的朋友表示，單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)的彈性好，如保護(hù)和通訊，我的想法是單片機(jī)和PWM芯片相結(jié)合，現(xiàn)在的一般單片機(jī)的PWM輸出的頻率普遍還不是太高，頻率太高，想要實(shí)現(xiàn)單周期控制也很難。所以我覺(jué)得單片機(jī)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(wú)獨(dú)有偶，在我看到的一篇文章當(dāng)中，也是用數(shù)字電路輸出PWM波直接控制開(kāi)關(guān)電源工作。他是用CPLD再加單片機(jī)進(jìn)行控制。眾所周知CPLD的價(jià)格以及開(kāi)發(fā)難度絕非單片機(jī)可比，那么他為什么要這樣做?原因如作者所說(shuō)，由于單片機(jī)的PWM寬度小，導(dǎo)致精度低，不能滿足系統(tǒng)的要求。作者又說(shuō)，在這些情況下，應(yīng)用片外PWM電路無(wú)疑是一種理想的選擇。他選擇CPLD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM。我則建議:還是用開(kāi)關(guān)電源原來(lái)的控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。不但價(jià)格低，而且容易實(shí)現(xiàn)單周期電流檢測(cè)等保護(hù)功能。我們大可不必為數(shù)字控制而數(shù)字控制。

這位技術(shù)達(dá)人不僅從電源輸出的控制角度將單片機(jī)的開(kāi)關(guān)電源控制進(jìn)行了分類(lèi)，還從成本的角度出發(fā)分析了哪種芯片更適合作為開(kāi)關(guān)電源的控制。相信大家在看過(guò)這位達(dá)人的分析之后能夠?qū)纹瑱C(jī)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)產(chǎn)生更多的想法。