微处理器在开关电源中的应用

微处理器作为一种减少元件数量，提高性能的手段，正在高密度开关电源设计中得到应用。

十年前笔者在研究生院的时候，有一个控制器小组向功率电子设计中建议在电源中使用一种先进的微处理器。这种微处理器可以实现新型神经网络控制器，以解决功率电子设备中的所有非线性控制问题。当问到价钱时，控制小组回答说，这种微控制器的成本不过是100美元左右。于是这场谈论嘎然而止，因为整个电源的售价比这块芯片还要便宜。  

微控制器要在电源中切实可用，其成本必须降低近两个数量级。如今，UPS系统，由电网供电的功率因素校正电源、隔离式DC/DC变换器和微处理器的电源都开始使用微控制器。微控制器有一个更恰当的名字，就是单片系统（SOC），因为现代微控制器其实是由模拟/数字器件、振荡器、ADC和比较器组成。  

微控制器目前及将来在电源中的实际应用，从简单的监控功能到全数字闭环控制不一而足。监控功能包括启动控制计时、同步整流器控制、启动电路和故障检测逻辑电路，例如用于检测过电压和过热状态的逻辑电路。闭环控制需要性能更好的控制器，但是，如果通过模拟技术来实现快速内部电流环路，您就无须使用昂贵的DSP。  

微控制器对于许多电源都是非常有用的，但本文着重谈论的是高密度开关电源。这类电源必须具备效率高、功能多、封装尺寸小以及价格具有竞争性。要使电源增加功能，降低成本、减少部件数量、节省电路板面积，就必须使用微控制器。由于对大功率进行切换，所以控制器需在噪声较大的环境中工作。  

·数字技术的优点

改用数字技术的一个优点，就是价钱为一美元的微控制器通常可以取代很多模拟电路。这种方法之所以能降低材料成本和部件数量，乃是因为一个微控制器就可以代替窗口检测器、比较器和锁存器。当将这些元部件集成为一个器件的时候，就可以提高可靠性、效率和安全性。使用的元件较少，意味着在制造时出现缺陷的可能性也较小，而且还可腾出一些电路空间。在高密度变换器中有较多的电路空间，意味着有更多地方来安装功率元件以及布置更多传输电流的铜线，以便提高效率。利用微控制器可以节省电路板空间，因而缩小电源本身的尺寸，增强供电的功率级，改善产品的散热性能。  
  
使用微控制器的另一个优点是，只要改变在微控制器上运行的微程序，就可以用同样的印刷电路板和元件制造一种电源的几个版本产品。每一种电源产品都可以满足一些独特的设计要求，而标准电源产品有时也可以利用定制的微控制器来满足这些要求。由于多数微控制器都有程序保护功能以防他人“窥探”固件，在部份设计中加一些软件就可以提高设计的安全性。对使用微控制器的产品进行逆向设计要困难得多。  

微控制器的灵活性不仅表现在可以修改设计，而且简化了初期的设计工作。在确定了微控制器需要访问哪些信号之后，便可以完成电路板的布局并且交付生产，至于微控制器需要执行的任务细节，可以在以后考虑。在等待样机完工的同时，可以编写很多固件程序，因为微控制器制造商多数能提供优良的仿真工具。一旦您做出了样机，便可由特殊的调试程序来协助完成正式的产品。例如，调试程序可以仿真或禁止使用特定的故障条件，以便更好地隔离您正在检验和排除故障的系统中的每一个元件。

·监控功能

开始在电源中使用微控制器的最简单方法，便是用它来代替监控电路。监控电路监控着电源，并负责接通电源、中止运作和保护。任何电源都可以使用一种具有滞环的简单比较器对电源的输入电压进行监视，只有在输入电压处于有效输入范围之内时才会启动电源电路。当输入电压接近其极限时，就要用“滞环”来防止电源电压出现迅速起伏。  

具有模/数输入的微控制器代替监控电路，只需要用一个分压器来调节被测电压。   
  
有了微控制器，就可以任意设置和调节电源工作期间的初始期限和滞环的大小。利用微控制器中的计数器可以给监控器添加计时功能，从而允许一定量的过压，只要过压的持续时间不太长就行。由于监控电路的作用是次要的，所以用微控制器代替这一监控电路而造成的任何额外延迟，都是关系不大的。  

微控制器还能够启动接在启动引脚上的监控电路。这样，便可以实现正逻辑启动或负逻辑启动，并且用芯片上的计时器和简单的程序来增加抗抖动和抗起伏能力，从而阻止电源电压的快速起伏。当微控制器配合其它电路一起使用时，可以增加“启动禁止”功能，以防止在一次启动后立即再次启动，务求因出现故障而关机时，全部电源都完全放电之后放可重新启动。  

使用微控制器时，可以按需要确定启动次数，以解决排序问题。只要把微控制器的故障检测逻辑电路、启动电路和计时功能结合在一起，就可以制定复杂的监控方案。请注意，对于任何暴露在外的引脚来说，接到供电电源端上的二极管和串联电阻器等保护电路元件都是很重要的。  

·闭环控制

可惜今天的廉价微控制还缺乏足够高的处理能力和速度，不能对典型的开关电源进行全面的数字闭环控制。像Microchip公司的PIC16C781那样把模拟脉宽调制芯片集成到微控制器中，就可以形成一种进行闭环控制的混合技术。这种器件用高速比较器来控制脉冲宽度。微程序控制着软启动、频率以及最大、最小占空比。任何与现成脉宽调制芯片打过交道的人，都会体会到对该芯片的行为进行某些控制的优点。  

现在有有种混合控制方案，是把一个快速内部模拟电流环路和一带宽较小的外部数字控制环路结合起来。这就向数字控制环路迈进了一步。例如，可以用Atmel公司的ATTinyl5L型PLL频率增强脉宽调制芯片作为这类应用的DAC。  

在本例中，微控制器利用这种10位ADC监控电源的输出电压，并把误差放大器（EA）信号作为外部模拟脉宽调制来控制。对微控制器输出的150kHz脉宽调制取平均值，就可以产生这一模拟信号。Tinyl5L缺乏硬件乘法器，因此它只能实现有限的控制算法。价格较为昂贵的AtmelATMega8则含有硬件乘法器，用它足以实现真正的模拟式控制算法。  

电源设计增加了微控制器，就可提高性能，降低成本。首先，您要检查当前的电源，并确定微控制器可以代替哪些功能。然后，选择一种微控制器，其中集成了一个振荡器、适当数量的计时器、监视计时器的复位器、模拟外设如ADC等，比较器和数字信号的功能。也许您需要的程序存储器空间很少。结果，在下一轮电路板设计中您就该享受到微控制器带来的灵活性和经济性的优点了。  

一种实现闭环控制的混合技术，就是利用微控制器来监控电源的输出电压，并驱动外部脉宽调制器件。