单片机控制开关电源,单从对电源输出的控制来说,可以有几种控制方式。
其一是单片机输出一个电压(经DA芯片或pWM方式),用作电源的基准电压。这种方式仅仅是用单片机代替了原来的基准电压,可以用按键输入电源的输出电压值,单片机并没有加入电源的反馈环,电源电路并没有什么改动。这种方式最简单。
其二是单片机扩展AD,不断检测电源的输出电压,根据电源输出电压与设定值之差,调整DA的输出,控制pWM芯片,间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中,代替原来的比较放大环节,单片机的程序要采用比较复杂的pID算法。
其三是单片机扩展AD,不断检测电源的输出电压,根据电源输出电压与设定值之差,输出pWM波,直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。
第三种方式是最彻底的单片机控制开关电源,但对单片机的要求也最高。要求单片机运算速度快,而且能够输出足够高频率的pWM波。这样的单片机显然价格也高。
DSp类单片机速度够高,但目前价格也很高,从成本考虑,占电源成本的比例太大,不宜采用。
廉价单片机中,AVR系列最快,具有pWM输出,可以考虑采用。但AVR单片机的工作频率仍不够高,只能是勉强使用。下面我们具体计算一下AVR单片机直接控制开关电源工作可以达到什么水平。
AVR单片机中,时钟频率最高为16MHz。假如pWM分辨率为10位,那么pWM波的频率也就是开关电源的工作频率为16000000/1024=15625(Hz),开关电源工作在这个频率下显然不够(在音频范围内)。那么取pWM分辨率为9位,这次开关电源的工作频率为16000000/512=32768(Hz),在音频范围外,可以用,但距离现代开关电源的工作频率还有一定距离。
不过必须注意,9位分辨率是说功率管导通-关断这个周期中,可以分成512份,单就导通而言,假定占空比为0.5,则只能分成256份。考虑到脉冲宽度与电源的输出并非线性关系,要至少再打个对折,也就是说,电源输出最多只能控制到1/128,无论负载变化还是网电源电压变化,控制的程度只能到此为止。
还要注意,上面所述只有一个pWM波,是单端工作。假如要推挽工作(包括半桥),那就要两个pWM波,上述控制精度还要减半,只能控制到约1/64。对要求不高的电源例如电池充电,可以满足使用要求,但对要求输出精度较高的电源,这就不够了。
综上所述,AVR单片机只能很勉强地使用在直接控制pWM的方式中。
但是上列第二种控制方式,即单片机调整DA的输出,控制pWM芯片,间接控制电源的工作,却对单片机没有那么高的要求,51系列单片机已可胜任。而51系列单片机的价格比AVR还是低一些。
网友coocle曾发表他的看法:“单片机控制开关电源的缺点在于动态响应不够,优点是设计的弹性好,如保护和通讯,我的想法是单片机和pwm芯片相结合,现在的一般单片机的pwm输出的频率普遍还不是太高,频率太高,想要实现单周期控制也很难。所以我觉得单片机可是完成一些弹性的模拟给定,后面还有pwm芯片完成一些工作。”
无独有偶,在电子电源综合区中有篇原创文章《DpWM电路的研究》,也是用数字电路输出pWM波直接控制开关电源工作。他是用CpLD再加单片机进行控制。众所周知CpLD的价格以及开发难度绝非单片机可比,那么他为何要这样做?原因如作者所说,由于单片机的pWM宽度小,导致精度低,不能满足系统的要求。作者又说,在这些情况下,应用片外pWM电路无疑是一种理想的选择。他选择CpLD芯片来实现pWM。我则建议:还是用开关电源原来的控制芯片来实现。不但价格低,而且容易实现单周期电流检测等保护功能。我们大可不必为数字控制而数字控制。