注册 登录
电子工程世界-论坛 返回首页 EEWORLD首页 频道 EE大学堂 下载中心 Datasheet 专题

maychang的个人空间 http://home.eeworld.com.cn/space-uid-41670.html [收藏] [复制] [分享] [RSS]

日志

使用单片机进行环路控制的开关电源

已有 193 次阅读2019-8-5 09:48

  在《具有数字控制功能的电源》那帖中,我们介绍了使用D/A作为电压基准替代现成的线性稳压芯片或者开关稳压芯片的数字电源。在本帖中,我们介绍使用单片机的PWM输出直接控制功率开关管的数字电源。
  众所周知,目前的开关电源绝大多数是PWM (脉冲宽度调制) 控制方式,仅有很少部分不是使用PWM控制方式。
  现在的单片机有很多具有PWM输出,某些单片机还具有不止一种PWM输出方式。例如某公司生产的某型号8位单片机就具有多种PWM输出方式,其中快速PWM方式如图(01)
  图(01)中显示了七个PWM周期。其中第一、第二和第七个周期上面一行波形占空比为1,即总是高电平,下面一行波形占空比为0,即总是低电平,两种情况都是没有输出脉冲。
  第三、第四、第五和第六个周期,单片机输出了PWM脉冲。

            图(01)
  对这个型号单片机来说,计数器有三个数值:第一个叫Bottom值(底值),其实就是计数器清零;第二个叫Top值(顶值),在该种工作模式下计数到Top值之后的一个计数周期内计数器清零,输出引脚变成高电平或者低电平(由一个寄存器位决定);第三个叫Compare Match值,当计数器对脉冲计数到此值时(说明书中称比较匹配值)输出引脚翻转。
  图(01)中第一、第二和第七个周期没有发生比较匹配(比较匹配值大于Top值或者为零),因此没有PWM脉冲输出;第三、第四、第五和第六个周期,单片机在计数值达到比较匹配值时输出引脚翻转,输出了PWM脉冲,PWM脉冲宽度显然由比较匹配值决定。改变比较匹配值就改变了PWM脉冲的占空比。

            图(02)
  那么,这个PWM脉冲是否可以用来驱动功率开关管,来实现开关电源的控制呢?
  答案是可以。该型号单片机说明书中已经明确表示:该快速PWM模式适合于功率调节,也就是控制开关电源。当然,因为这个PWM信号只有一个引脚输出,所以只能用来控制单端电路,例如单端反激变换器。
  改变比较匹配值(Compare Match值)就可以改变PWM占空比,从而改变开关电源的输出。但是,我们根据什么改变比较匹配值?
  各种不同的开关电源,要么是要求输出电压稳定,要么是要求输出电流稳定,或者是要求电压电流以外的某项输出参数稳定。以稳压输出的开关电源为例,其控制电路都是将输出电压与某个基准电压进行比较,用比较的结果(输出电压与基准电压之差)来控制PWM占空比,从而控制开关电源的输出电压,使其恢复到设定值。

            图(03)
  图(03)是很常见的开关电源芯片LM2576内部框图,图中可见,芯片输出经L1和Cout滤波后,Vout送到芯片的FEED-BACK端。然后,与1.23V的基准电压进行比较,再将误差放大(FIXED GAIN ERROR AMP)。误差放大的输出控制PWM占空比,再驱动功率开关管输出到L1和Cout构成的滤波电路。框图右下角的CURRENT LIMIT(电流限制)和THERMAL SHUTDOWN(热关断)暂时先不必考虑,因为这两部分仅用于保护,并不在反馈环内。
  显然,这是一个闭环控制电路,输出电压Vout经分压后与基准电压进行比较,其差控制PWM占空比。如果输出电压经分压后高于基准,占空比就会降低以使输出电压降低;如果输出电压经分压后低于基准,占空比就会升高以使输出电压升高。其工作和一个负反馈放大器是完全相同的。
  用单片机输出PWM控制开关管,PWM的占空比就是由开关电源的输出与基准进行比较来确定的。当开关电源输出高于基准,单片机的程序就要使PWM占空比降低一些,直到开关电源输出符合要求为止;若开关电源输出低于基准,单片机的程序就要使PWM占空比增加一些,直到开关电源输出符合要求为止。
  显然,单片机程序必须知道开关电源输出现在是多少,这可以由A/D或者单片机自带的A/D接口完成(这种单片机自带10位A/D)。至于比较,实际上在程序中就是做一次减法,A/D转换的结果(表示开关电源输出值)减去基准。所谓基准,在单片机中就是一个数字,表示一个固定的电压数值。
  但是,直接把输出减去基准的结果作为修改占空比的数值,那是不行的。因为占空比变化后不会立即反映到输出上面。图(03)中L1和Cout是储能元件,PWM占空比因输出不足而增加后,输出增加要在L1和Cout储存的能量增加之后才会显现出来。而A/D在此期间内很可能又进行了一次转换,其结果与基准相减后再一次增加PWM占空比,这样必定会使输出增加过度。然后PWM占空比因输出过高而减少……这样就会造成输出大幅度摆动,换句话说,整个反馈系统产生了振荡。
  为避免发生振荡,同时让这个反馈系统能够快速稳定地工作,单片机程序中必须采用PID(比例-积分-微分)控制,并且根据反馈系统中各环节例如输出采样的分压比、A/D转换……直到图(03)中L1和Cout数值,来决定PID控制的各项系数。这些属于自动控制课程的内容,在此限于篇幅不能详细叙述。
  如上所述,单片机实际上代替了图(03)中除DRIVER和SWITCH以外各部分的工作,实现了反馈环的数字化。我们现在把这种单片机PWM控制功率开关管,同时利用单片机内部A/D将输出参数转换成数字,再由程序进行比较、PID运算、输出PWM脉冲、最终稳定开关电源输出参数的电源,称为数字环路控制开关电源。从某种意义上说,这样的开关电源才是真正的数字电源,前面那篇《具有数字控制功能的电源》所述的以D/A输出控制现成的电源芯片构成的数字电源,只能说是用D/A代替了电压基准的普通电源而已,反馈环中其它部分均未由数字电路来代替。
  不过,这种使用单片机作为反馈环路控制的开关电源并未得到普遍应用。得不到普遍应用的原因是性价比不行。
  此种单片机时钟频率最高是16MHz。如果快速PWM的Top值为8位,即256个时钟周期,那么PWM频率为62.5kHz。PWM占空比的步长在Top值为8位时是1/256,已经嫌有些粗糙了。相比之下,LM2596开关频率是150kHz。图(02)中说得很清楚:“高频可以减小外部元器件(电感,电容)的物理尺寸,从而降低系统成本”。现在这种单片机来作环路控制的开关电源PWM频率比LM2596低这么多,显然在输出同样功率情况下使用的电感电容要大得多,在元件成本上不占优势。
  从芯片价格上看,恐怕带PWM输出和A/D的单片机的价格要比LM2596还高些,若是加上功率开关管和PWM驱动电路,从价格上使用单片机就越发没有优势了。更何况使用单片机还需要编写程序,要调试程序,还要将程序写入单片机,而LM2596这类芯片,只要仔细阅读说明书,一般均可正常工作,对开关电源经验不多的工程师来说用起来很方便。
  所以,这种使用普通8位单片机,以程序替代环路控制的开关电源并没有得到什么应用,因为其使用价值并不高,性价比太差。但是,用程序控制替代模拟电路进行环路控制的思想值得注意,因为程序控制的扩展性要比模拟电路控制强得多,适合复杂的控制要求。
  
  那么,什么是“复杂的控制要求”?
  图(03)所示的LM2576芯片,控制要求是比较简单的:仅仅是保持输出电压不随输入电压的变化而改变,也不随负载的变化而改变,保持一个固定的数值。此外,当输出电流过大时,芯片将自动保护(不过这个保护的动作点不能由使用者控制)。
  但是,在科学研究和技术开发中,可不仅仅是只需要一个稳定的电压,往往对电源有特殊的要求。这些特殊要求,初学者甚至不大容易理解。
  为说明这些特殊要求,我们先来看在电压-电流平面上负载电阻是什么样子。
  图(04)横轴是直流电源输出电流,纵轴是直流电源输出电压。我们知道:电阻两端电压与电阻中通过的电流是正比关系,欧姆定律告诉我们R=U/I。那么固定值的电阻在此图中表示为一条过原点的直线,其斜率就是电阻的数值。图(04)中,电阻R1的数值大于R2。

            图(04)
  我们可以看出:表示电阻数值的那条通过原点的直线,越是贴近纵轴,电阻值越大,越是贴近横轴,电阻值越小。

           图(05)
  对稳压输出的直流电源来说,理想情况下其输出电压不变,在电压-电流平面上表现为一条水平直线,如图(05)中的直线U1或者U2。此时该电源输出电流由输出电压和负载电阻决定。例如,负载电阻为R1,电源输出电压为U1,那么输出电流就是U1直线和R1直线相交点的横座标。同样,如果负载电阻为R2,电源输出电压为U2,那么电源输出电流就是U2直线和R2直线相交点的横座标。

            图(06)
  直流电源中还有一类稳流电源,理想的这类电源输出电流不变,在电压-电流平面上表现为一条竖直直线,如图(06)中的I1或者I2。此时该电源输出电压由输出电流和负载电阻决定。例如,负载电阻为R1,电源输出电流为I1,那么输出电流就是I1直线和R1直线相交点的纵座标。同样,如果负载电阻为R2,电源输出电流为I2,那么电源输出电压就是I2直线和R2直线相交点的纵座标。

          图(07)
  还有一类电源,其输出电压和输出电流均可事先设定,往往称为稳压稳流电源。但实际上,这种电源并不能同时稳压和稳流,任一时刻这种电源只能工作于一种状态,要么工作于稳压状态,要么工作于稳流状态,如图(07)。当负载电阻较大时,如图中直线R1,该电源输出电流并未达到设定值I,电源工作于稳压状态,输出电压为设定值U。当负载电阻较小时,如图中直线R2,该电源输出电压并未达到设定值U,电源工作于稳流状态,输出电流为设定值I。可见这类电源的工作状态是由负载电阻决定的。这类电源,称为限压限流电源可能更合适。

           图(08)
  更有一些特殊的电源,要求输出功率为某设定值。这类电源可以在生物实验室中见到。限制功率,是考虑到负载的散热条件。这类电源输出特性曲线如图(08),由三段构成。当负载电阻比较大,如图中R1直线时,此电源工作于稳压状态,限制输出电压不超过设定值U。当负载电阻减小到R2时,电源输出电流变大,输出电压已经低于设定值U,此时电源转入稳功率输出状态,输出电压为R2直线与恒功率线P交点的纵座标,输出电流为R2直线与恒功率线P交点的横坐标。计算可知,曲线P是一条双曲线。负载电阻继续减少到R3,电源仍工作于稳功率输出状态,输出电压和输出电流虽有变化,但负载耗散功率仍不变。负载电阻下降到R4,电源转入稳流工作状态,输出电压很小,输出电流等于设定值I。
  稳功率输出的直流电源,可以完全由模拟电路构成,但是相当麻烦,需要使用模拟乘法器,而模拟乘法器并不便宜。这种情况下,使用单片机自带的A/D对输出电压和输出电流取样,然后A/D转换的结果相乘,显然方便得多。做一次乘法,对单片机来说不过是几条甚至一条指令的事情。
  在生物实验室中使用的直流电源,甚至要求电源纪录输出电压对时间的积分和输出电流对时间的积分,即纪录输出的伏-秒数和安-秒数,并且可能要求输出电压对时间的积分和输出电流对时间的积分到达设定值后报警或者转入另一种工作状态。这更是不使用单片机就很难完成的工作。

            图(09)
  输出要求比较复杂的电源,设定输出值往往使用按键,显示输出值也往往使用数字方式。图(09)是本坛网友PowerAnts在《搭电路玩(4)-UC3843浮地BUCK,60W效率93%》一帖中贴出的照片,红色框内就是一个直流电源,其输出端子用红色和黑色两根线联接到下方的一块实验电路板。红色框内的电源就是使用若干按键和右上角的一个旋转编码器来设定输出值,并且使用荧光数码管来显示。
  照片红色框内那台直流电源,必定使用了单片机来接收按键信号,单片机同时输出数字信号控制显示,这些工作不用单片机是没办法完成的。既然按键和显示使用了单片机,那么用单片机来实现环路控制就是顺理成章的了。
  不过,熟悉单片机编程的网友可能会说:这么多个按键输入,这么多位数字动态显示,至少四位半的A/D,高达数十kHz的PWM输出,同时还要纪录输出的伏-秒数和安-秒数,无论是从执行速度上还是存储器容量上,普通的8位单片机怕是力所不能及。这就要求使用比普通8位单片机性能更强的处理器,例如DSP或者MSP。
  但是,各种仪器设备的数字化是不可避免的趋势。首先数字化的当然是信号测量仪器,例如万用表,现在指针式万用表已经很少见到了,还有示波器,在液晶显示技术成熟之后也迅速发展,使用示波管的模拟示波器现在也很少见到。各种电源,包括直流电源和交流电源,往往功率较大,且控制相对简单,数字化智能化进程比较缓慢,但时至今日,就连工业电网也在逐步实现智能化,更不用说普通的实验室用电源了。我们完全有把握说:数字环路控制电源是未来电源发展的趋势。
  有鉴于此,德州仪器公司推出了一款开关电源开发板BoostPack,如图(10)。

            图(10)
  这款BoostPack开关电源开发板的电原理图如图(11)。电路比较简单,熟悉开关电源的网友很容易看出来:这是Buck电路,带高端驱动,同步续流,还有输出电流的高端取样。功率开关管的导通和关断是由板子外部输入的PWM信号控制的。功率开关管已经装在散热器上,所有元器件也已经焊接到板子上。

            图(11)
  与此同时,德州仪器公司还把这种外部PWM控制的开关电源开发板和以C2000系列中TMS320F28069微控制器为核心的开发板联系起来,两块板子可以直接联接,插针插好就是。如图(12)。套件还带有相关的设计文件,以及相关软件的代码,学习起来非常方便。

            图(12)
  也许有人会说:这么简单的开关电源,完全可以用一片普通的Buck芯片来实现。即使是使用微控制器控制,也不必使用TMS320F28069这么高性能的微控制器,用片单片机已经够了。
  当然,用TMS320F28069微控制器来控制这么简单的一个Buck电路,确实是大材小用。可是,学习用微控制器来控制开关电源,总应该是从简单到复杂,由浅入深,是不是?现在学会了控制简单的一个Buck电路,打好基础,才能够在将来用DSP芯片控制一个复杂的有特殊要求的开关电源,将其做成产品。



此内容由EEWORLD论坛网友maychang原创,如需转载或用于商业用途需征得作者同意并注明出处

本文来自论坛,点击查看完整帖子内容。

评论 (0 个评论)

facelist doodle 涂鸦板

您需要登录后才可以评论 登录 | 注册

关闭

站长推荐上一条 /4 下一条

Archiver|手机版|小黑屋|电子工程世界 ( 京ICP证 060456 )

GMT+8, 2019-9-16 22:38 , Processed in 0.033504 second(s), 10 queries , Gzip On, MemCache On.

Powered by EEWORLD电子工程世界

© 2019 http://bbs.eeworld.com.cn/

返回顶部