也談單片機控制的開關電源

關于單片機控制開關電源的文章,本版發出了不少帖,爭論也很激烈.趁此機會我也談談我的幾點看法.

單片機控制開關電源,單從對電源輸出的控制來說,可以有幾種控制方式.
其一是單片機輸出一個電壓(經DA芯片或PWM方式),用作電源的基準電壓.這種方式僅僅是用單片機代替了原來的基準電壓,可以用按鍵輸入電源的輸出電壓值,單片機并沒有加入電源的反饋環,電源電路并沒有什么改動.這種方式最簡單.
其二是單片機擴展AD,不斷檢測電源的輸出電壓,根據電源輸出電壓與設定值之差,調整DA的輸出,控制PWM芯片,間接控制電源的工作.這種方式單片機已加入到電源的反饋環中,代替原來的比較放大環節,單片機的程序要采用比較復雜的PID算法.
其三是單片機擴展AD,不斷檢測電源的輸出電壓,根據電源輸出電壓與設定值之差,輸出PWM波,直接控制電源的工作.這種方式單片機介入電源工作最多.
第三種方式是最徹底的單片機控制開關電源,但對單片機的要求也最高.要求單片機運算速度快,而且能夠輸出足夠高頻率的PWM波.這樣的單片機顯然價格也高.
DSP類單片機速度夠高,但目前價格也很高,從成本考慮,占電源成本的比例太大,不宜采用.
廉價單片機中,AVR系列最快,具有PWM輸出,可以考慮采用.但AVR單片機的工作頻率仍不夠高,只能是勉強使用.下面我們具體計算一下AVR單片機直接控制開關電源工作可以達到什么水平.
AVR單片機中,時鐘頻率最高為16MHz.如果PWM分辨率為10位,那么PWM波的頻率也就是開關電源的工作頻率為16000000/1024=15625(Hz),開關電源工作在這個頻率下顯然不夠(在音頻范圍內).那么取PWM分辨率為9位,這次開關電源的工作頻率為16000000/512=32768(Hz),在音頻范圍外,可以用,但距離現代開關電源的工作頻率還有一定距離.
不過必須注意,9位分辨率是說功率管導通-關斷這個周期中,可以分成512份,單就導通而言,假定占空比為0.5,則只能分成256份.考慮到脈沖寬度與電源的輸出并非線性關系,需要至少再打個對折,也就是說,電源輸出最多只能控制到1/128,無論負載變化還是網電源電壓變化,控制的程度只能到此為止.
還要注意,上面所述只有一個PWM波,是單端工作.如果要推挽工作(包括半橋),那就需要兩個PWM波,上述控制精度還要減半,只能控制到約1/64.對要求不高的電源例如電池充電,可以滿足使用要求,但對要求輸出精度較高的電源,這就不夠了.
綜上所述,AVR單片機只能很勉強地使用在直接控制PWM的方式中.
但是上列第二種控制方式,即單片機調整DA的輸出,控制PWM芯片,間接控制電源的工作,卻對單片機沒有那么高的要求,51系列單片機已可勝任.而51系列單片機的價格比AVR還是低一些.
網友coocle曾發表他的看法:“單片機控制開關電源的缺點在于動態響應不夠,優點是設計的彈性好,如保護和通訊,我的想法是單片機和pwm芯片相結合,現在的一般單片機的pwm輸出的頻率普遍還不是太高,頻率太高,想要實現單周期控制也很難.所以我覺得單片機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.”
無獨有偶,在電源綜合區中有篇原創文章《DPWM電路的研究》,也是用數字電路輸出PWM波直接控制開關電源工作.他是用CPLD再加單片機進行控制.眾所周知CPLD的價格以及開發難度絕非單片機可比,那么他為什么要這樣做?原因如作者所說,由于單片機的PWM寬度小,導致精度低,不能滿足系統的要求.作者又說,在這些情況下,應用片外PWM電路無疑是一種理想的選擇.他選擇CPLD芯片來實現PWM.我則建議:還是用開關電源原來的控制芯片來實現.不但價格低,而且容易實現單周期電流檢測等保護功能.我們大可不必為數字控制而數字控制.
敬請版主及各位朋友指正.