Microchip Technology Inc.

Mihnea Rosu

可使用同一款單片機(jī)實(shí)現(xiàn)純模擬控制的同步降壓型電源和升壓型電源。從而實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。兩種方案擁有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)，即不占用任何處理器資源，這樣內(nèi)核就可以全力滿足更為復(fù)雜的固件的需求。同時(shí)，模擬回路能夠更快速地響應(yīng)負(fù)載階躍和輸入電壓變化，這對(duì)于不少應(yīng)用而言是非常有用的。

本文討論的單片機(jī)為Microchip旗下的PIC16F753。無(wú)論是降壓還是升壓轉(zhuǎn)換器其所需的外設(shè)集是相同的：互補(bǔ)輸出發(fā)生器、比較器、運(yùn)算放大器、9 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、固定參考電壓、斜率補(bǔ)償模塊，以及捕捉和比較PWM模塊。上述外設(shè)應(yīng)通過(guò)固件實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接，以減少所需的外部引腳數(shù)。

電路圖降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為8至16V DC，輸出端為5V DC、2A和10W。代碼大小105個(gè)字，RAM容量0字節(jié)，可用代碼大小1943字，可用RAM容量128字節(jié)。2A 條件下測(cè)定的效率為94%。

圖1：降壓電源框圖

圖1所示的是一個(gè)同步降壓電源框圖。此處輸出電壓使用峰值電流模式控制進(jìn)行穩(wěn)壓，并使用誤差運(yùn)算放大器（OPA）來(lái)與參考電壓進(jìn)行比較。然后將結(jié)果輸入到峰值電流比較器中。內(nèi)部斜率補(bǔ)償模塊會(huì)從誤差放大器輸出值中先減去一個(gè)軟件可編程斜率，再輸入到峰值電流比較器。CCP捕捉和比較PWM模塊提供一個(gè)具有固定頻率和固定占空比的控制信號(hào)，而峰值電流比較器輸出會(huì)被選為互補(bǔ)輸出生成器（COG）下降沿的另一個(gè)（分級(jí)）源。

升壓轉(zhuǎn)換器有著相同的工作原理，圖2所示即其原理框圖。不過(guò)在參數(shù)規(guī)格上略有不同。具體來(lái)說(shuō)，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為3至5V DC，而輸出端和RAM容量與降壓轉(zhuǎn)換器相同。代碼大小99字，可用代碼大小1949字。2A條件下測(cè)定的效率為87%。

圖2：升壓轉(zhuǎn)換器框圖

工作原理配置完外設(shè)并將它們連接在一起后，控制環(huán)路會(huì)自動(dòng)運(yùn) 行，無(wú)需占用處理器時(shí)間。

占空比超過(guò)50%時(shí)，峰值電流控制方案需要斜率補(bǔ)償以 防止振蕩。占空比較低時(shí)，如果電流檢測(cè)電阻較小，斜 率補(bǔ)償還有助于穩(wěn)定控制環(huán)路。PIC16F753具有一個(gè)內(nèi)部斜率補(bǔ)償模塊，將誤差放大器輸出饋送至峰值電流 比較器之前，可利用此模塊從該輸出中減去一個(gè)可編程的斜坡。

對(duì)于同步開關(guān)電源，晶體管控制信號(hào)需要一個(gè)較小的死區(qū)來(lái)避免產(chǎn)生直通電流。

COG可根據(jù)振蕩器頻率或模 擬延時(shí)鏈生成此信號(hào)。利用模擬延時(shí)鏈，用戶可設(shè)置一個(gè)分辨率為5 ns的死區(qū)，該死區(qū)非常適合小晶體管。 針對(duì)此特定應(yīng)用，將死區(qū)設(shè)置為30 ns。

對(duì)于降壓拓?fù)?，電感電流等于?fù)載電流。為了能夠使用下橋臂電流檢測(cè)電阻來(lái)測(cè)量峰值電感電流，需要進(jìn)行一些修改。通常情況下，電流檢測(cè)電阻得到的是峰值 電流控制方案無(wú)法使用的濾波輸出電流。通過(guò)電流檢測(cè) 電阻將輸出電容接地后，ESR 會(huì)增大，但生成的波形與電感電流波形非常相近。這種方法的缺點(diǎn)在于效率略 低，但上橋臂電流檢測(cè)電阻通常需要附加電路（電流鏡 或?qū)Ｓ?a target="_blank">IC），而這會(huì)增加成本。

而在升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，電感電流等于輸入電流。電感峰值電流由放置在晶體管源極和地之間的電阻直接測(cè)量。

輸入和輸出控制環(huán)路中沒有集成輸出電流限制功能，因此應(yīng)使用第二個(gè)比較器并將其選作COG 的自動(dòng)關(guān)斷源。誤差放大器輸出即為電感峰值電流限值，因此通過(guò)電阻分壓器使該值保持為較低值有助于避免浪涌電流問(wèn)題和災(zāi)難性 的短路狀態(tài)。但是，這種方法的缺點(diǎn)在于系統(tǒng)增益的降低以及對(duì)瞬態(tài)的響應(yīng)變慢。OPA輸出引腳與斜率補(bǔ)償 模塊輸入引腳相同，因此這兩個(gè)外設(shè)可以一起使用，無(wú)需任何其他外部連接。如果使用電阻分壓器限制OPA輸出電壓，則必須將其從外部連接到FVR緩沖器輸入引腳。

升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓應(yīng)通過(guò)小型二極管連接至單片機(jī)，并自舉到輸出端。這樣，當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，它就會(huì)為單片機(jī)和MOSFET驅(qū)動(dòng)器供電。這實(shí)現(xiàn)了效率的提升，因?yàn)楦叩腣GS將會(huì)改善RDS(ON)，而低于4.5V的間隔對(duì)大多數(shù)功率晶體管而言都是一個(gè)問(wèn)題。同時(shí)，這使得FVR成為唯一現(xiàn)有的穩(wěn)定參考電壓，而電路也需要做出一些改變以確?；芈返膮⒖茧妷河肋h(yuǎn)不受電源或輸出電壓影響。由于控制回路的參考電壓來(lái)自于DAC，因而這一外設(shè)也需要一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)。1.2V的FVR被選作DAC參考電壓，可滿足上述所有要求。

從電源經(jīng)過(guò)電感和整流二極管再到輸出端，升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一個(gè)明確的DC電流流通路徑，即使是在開關(guān)晶體管阻斷的情況下。限流回路只在開關(guān)頻率變?yōu)榱阒澳芷鸬椒乐惯^(guò)流的作用。而這之后如果沒有額外的保護(hù)開關(guān)，就可能會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的短路事件。因此，我們可以在輸出端下橋臂放置一個(gè)額外的晶體管以便在短路發(fā)生時(shí)切斷負(fù)荷。

就基于比較器的短路保護(hù)應(yīng)用而言，必須在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)都確保有穩(wěn)定的參考電壓。由于輸出電流分流電壓通常都太小而無(wú)法直接與1.2V FVR一起使用，因此我們需要將其經(jīng)由外部發(fā)送，先通過(guò)FVR緩沖器，然后通過(guò)電阻分壓器，以獲取比較器所需的基準(zhǔn)電壓。由于FVR緩沖器采取了這一應(yīng)用方式，則運(yùn)算放大器輸出必須與斜率補(bǔ)償模塊一起直接使用，而不應(yīng)使用額外的分壓器。這樣不僅不占用處理器時(shí)間，還應(yīng)用了更多的引腳和外設(shè)。而就基于ADC的短路保護(hù)應(yīng)用而言，電流監(jiān)測(cè)電阻的電壓和FVR值在固件中讀取。需要讀取FVR電壓才能計(jì)算VDD值（在低于5V 的條件下），在這種情況下即為ADC參考電壓。雖然這不需要使用額外的比較器、I/O引腳或外部電阻，但是它卻需要一些程序空間和處理器時(shí)間。

我們必須對(duì)轉(zhuǎn)換器針對(duì)特定負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)也必須在所有工作條件下驗(yàn)證其穩(wěn)定性。

與使用專門的PWM控制芯片相比，性能是相似的，但是PIC單片機(jī)的使用提升了靈活性。此外，模擬控制回路可以獨(dú)立運(yùn)行，所以單片機(jī)內(nèi)核可完全自由地運(yùn)行用戶的算法、測(cè)量各項(xiàng)電源參數(shù)或發(fā)送相關(guān)的信息。

應(yīng)用應(yīng)用模擬控制回路的電源可以足夠快地響應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載和輸入電壓的變化。對(duì)于諸如 LED或熱電電池等電流控制的負(fù)載而言，電壓反饋可由平均電流反饋來(lái)替代。該電源還可用于需要對(duì)電壓和電流進(jìn)行控制的各種應(yīng)用，例如CC和CV電池充電器等。 PIC16F753 DAC具有9位分辨率，在降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中可通過(guò)1/2輸出分壓器轉(zhuǎn)換為 20 mV的最小電壓歩階，在升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中可通過(guò)1/5輸出分壓器轉(zhuǎn)換為50 mV的最小電壓歩階。

該應(yīng)用需要一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)比較器和一個(gè)DAC。DAC輸出端可由內(nèi)部連接至運(yùn)算放大器，因此這就節(jié)省了一個(gè)引腳。CCP模塊會(huì)針對(duì)COG生成一個(gè)具有固定頻率、固定占空比的信號(hào)。根據(jù)限制OPA輸出的用戶選項(xiàng)，電阻分壓器需經(jīng)由外部連接至 FVR緩沖器輸入端。如果不使用電阻分壓器，那么就不需要使用兩個(gè)引腳，一個(gè)就足夠了。在這種情況下，與斜率補(bǔ)償模塊輸入引腳為同一引腳的運(yùn)算放大器輸出引腳，即被配置為模擬引腳，并且不應(yīng)被用于其它用途。我們可以將僅用作輸入功能的數(shù)字引腳當(dāng)作一個(gè)按鍵來(lái)使用或者用于其它類似用途。在運(yùn)行期間，編程數(shù)據(jù)

I/O引腳和其它兩個(gè)引腳處于空閑狀態(tài)，可用于用戶特定的用途。

升壓轉(zhuǎn)換器替代設(shè)計(jì)我們還可以使用PIC12F1501來(lái)創(chuàng)建數(shù)字控制升壓電源。它在輕負(fù)載、硬件過(guò)壓保護(hù)方面效率較高，并且只需使用少量的元件即可。所需的外設(shè)包括兩個(gè)10位ADC通道、一個(gè)FVR、比較器、數(shù)控振蕩器和互補(bǔ)波形發(fā)生器。上述外設(shè)通過(guò)固件進(jìn)行內(nèi)部連接，從而將所需的外部引腳數(shù)降低到了三個(gè)。該應(yīng)用的框圖如圖3所示。

圖3：數(shù)字控制升壓電源框圖

我們應(yīng)用比例控制回路來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流。使用兩個(gè)ADC通道來(lái)讀取輸出值，并對(duì)控制信號(hào)作相應(yīng)的調(diào)整。數(shù)控振蕩器使用頻率可變的固定導(dǎo)通時(shí)間脈沖來(lái)進(jìn)行占空比脈沖頻率調(diào)制。

結(jié)論

本文展示了如何使用Microchip單片機(jī)在創(chuàng)建降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的同時(shí)節(jié)省一部分處理能力以便執(zhí)行其它任務(wù)。文中的三個(gè)應(yīng)用實(shí)例均只需要很小的一套外設(shè)即可實(shí)現(xiàn)各自的目標(biāo)。