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单片机控制开关电源的几种方式解析

助工
2019-12-19 22:11:17    评分

关于单片机控制开关电源的文章,本版发出了不少帖,争论也很激烈。趁此机会我也谈谈我的几点看法。

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。

单片机控制开关电源的几种方式解析

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。如果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,需要至少再打个对折,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。如果要推挽工作(包括半桥),那就需要两个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,那么他为什么要这样做?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。




助工
2019-12-22 22:36:15    评分
2楼
控制开关电源的MCU,抗干扰能力(EMI、EMC)要强,不然容易死机。。。



助工
2019-12-22 22:42:35    评分
3楼

AVR的特性和性能,确实较适合开关电源的控制。


工程师
2019-12-22 22:52:29    评分
4楼

Microchip、瑞萨、英飞凌。。。这些MCU的可靠性也很强悍,也适合电源控制~


工程师
2019-12-26 22:44:05    评分
5楼

解析的很到位


助工
2019-12-29 22:12:34    评分
6楼

看完你的文章突然一下就明白了很多东西


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