摘 要： 跨周期調(diào)制" title="跨周期調(diào)制">跨周期調(diào)制是一種不同于PWM和PFM的功率變換調(diào)制模式。提出了一種基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的PSM調(diào)制模式的控制電路，采用軟件方法實(shí)現(xiàn)了跨周期調(diào)制控制模式，解決了硬件設(shè)計(jì)難的問題，同時(shí)也解決了工作在輕載時(shí)功率管" title="功率管">功率管開關(guān)頻率容易進(jìn)入音頻范圍的問題。
關(guān)鍵詞： 跨周期調(diào)制 單片機(jī) 開關(guān)電源
提高負(fù)載的功率利用率是新型開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源的研究熱點(diǎn)之一。以脈沖跨周期調(diào)制(PSM)模式為基礎(chǔ)的開關(guān)電源，通過改變其有效工作頻率改變輸出功率，可使其開關(guān)損耗與輸出功率成正比。采用這種調(diào)制模式的開關(guān)電源工作在輕負(fù)載時(shí)，比常規(guī)的PWM調(diào)制模式的開關(guān)電源效率高，且具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、EMI好等優(yōu)點(diǎn)[1]。
本文采用單片機(jī)并結(jié)合軟件編程方法實(shí)現(xiàn)PSM控制電路，不僅解決了硬件設(shè)計(jì)難的問題，同時(shí)也解決了工作在輕負(fù)載時(shí)功率管開關(guān)頻率容易進(jìn)入音頻范圍的問題。
1 跨周期調(diào)制工作原理
這里以BUCK(串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源)電路為例說明跨周期調(diào)制的工作原理。BUCK電路如圖1所示，其中VCC、V0分別為電路的輸入、輸出電壓，VP為開關(guān)功率管Tr的控制信號(hào)，即PSM控制電路的輸出信號(hào)。
跨周期調(diào)制是以時(shí)鐘脈沖為基本控制信號(hào)作用在功率開關(guān)管上實(shí)現(xiàn)的。在額定負(fù)載時(shí)，控制信號(hào)作用在功率開關(guān)管Tr上，輸出穩(wěn)定的電壓V0，此時(shí)開關(guān)頻率為時(shí)鐘頻率；當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，輸出電流減小，輸出電壓增加，當(dāng)輸出電壓V0高于基準(zhǔn)電壓" title="基準(zhǔn)電壓">基準(zhǔn)電壓Vref，及在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來臨時(shí)，就跨過這個(gè)時(shí)鐘脈沖，以保持輸出電壓穩(wěn)定。此時(shí)開關(guān)頻率不等于時(shí)鐘頻率。這就是跨周期調(diào)制的基本原理，工作波形如圖2所示。
因此可以看出，跨周期調(diào)制方式就是使變換器工作在滿頻率或跨過幾個(gè)工作周期以保持輸出電壓V0穩(wěn)定的調(diào)制方式。
簡單的PSM硬件控制電路如圖3所示。
在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)" title="時(shí)鐘信號(hào)">時(shí)鐘信號(hào)來臨時(shí)，如果輸出端的反饋電壓Vf低于基準(zhǔn)電壓Vref，比較器輸出高電平，D觸發(fā)器也輸出高電平，時(shí)鐘信號(hào)與D觸發(fā)器輸出的高電平同時(shí)送到與門，則與門輸出時(shí)鐘信號(hào)；如果輸出端的反饋電壓Vf高于基準(zhǔn)電壓Vref，比較器輸出低電平，D觸發(fā)器也輸出低電平，則與門封鎖時(shí)鐘信號(hào)，即時(shí)鐘信號(hào)被跨過。
經(jīng)過兩種情況可得到PSM控制信號(hào)VP，如圖4所示。
2 基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的PSM控制電路
一個(gè)完整的DC/DC變換器包括主電路、控制電路、過壓/過流保護(hù)電路、熱保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)電路等，其中控制電路是整個(gè)變換器的核心，本文以PSM控制技術(shù)為基礎(chǔ)，著重介紹控制電路的設(shè)計(jì)。
圖5是具體實(shí)現(xiàn)電路，主電路采用BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制電路由單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成。圖中單片機(jī)采用是Microchip公司面向終端的PIC16C620(A)，該單片機(jī)內(nèi)置電壓比較器。
設(shè)主電路中輸入電壓為15V，輸出電壓為9V，額定負(fù)載為5Ω，額定工作頻率為50kHz，紋波電壓為輸出電壓的0.5%，儲(chǔ)能電感L為100μH，電容C為470μF，時(shí)鐘脈沖占空比D1約為0.6。
在額定負(fù)載時(shí)，由于額定工作頻率為50kHz，所以時(shí)鐘周期TS=20μs。由于占空比D1約為0.6所以T1*=12μs，T2*=8μs。式中，T1*為在額定負(fù)載下晶體管開通時(shí)間，T2*為在額定負(fù)載下晶體管關(guān)斷時(shí)間。
另外,PSM也存在固有的缺陷，就是在輕負(fù)載情況下，當(dāng)功率管開關(guān)連續(xù)跳過若干個(gè)周期，即有效頻率進(jìn)入20kHz以下時(shí)，功率管進(jìn)入音頻范圍，會(huì)有“咝咝”聲，產(chǎn)生可聞噪聲。所以在本文中，在連續(xù)跳過3個(gè)時(shí)鐘周期后，強(qiáng)迫功率管導(dǎo)通一個(gè)最小占空比，從而避免電路產(chǎn)生明顯的開關(guān)噪聲。
在輕載的情況下，最小時(shí)鐘脈沖占空比為0.06。所以T3*=1.2μs，T4*=18.8μs。式中， T3*為在輕載情況下晶體管開通時(shí)間，T4*為在輕載情況下晶體管關(guān)斷時(shí)間。
3 軟件設(shè)計(jì)
本文的重點(diǎn)在于單片機(jī)軟件編程，此單片機(jī)具有14位指令系統(tǒng)，8位數(shù)據(jù)線，多種中斷，100ns指令周期，內(nèi)置電壓比較器等主要特性。
系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。圖中，RB1為控制信號(hào)的輸出端，INC為連續(xù)跳過周期的個(gè)數(shù)標(biāo)志位(計(jì)數(shù)器)，C1OUT是電壓比較器的輸出狀態(tài)，控制本周期的脈沖是否被跳過。
從負(fù)載檢測到的反饋電壓Vf與基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，結(jié)果存入C1OUT中，若反饋電壓小于基準(zhǔn)電壓，則C1OUT的值為0，于是單片機(jī)的RB1端在本周期內(nèi)發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)，開關(guān)管在本周期內(nèi)導(dǎo)通。當(dāng)反饋電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，則C1OUT的值為1，于是單片機(jī)在RB1端封鎖時(shí)鐘信號(hào)，則開關(guān)管在本周期內(nèi)不導(dǎo)通。當(dāng)檢測到INC從00001000H狀態(tài)到00000001H狀態(tài)時(shí)，說明時(shí)鐘信號(hào)已經(jīng)跳過3個(gè)周期，功率管開關(guān)頻率進(jìn)入音頻范圍，單片機(jī)強(qiáng)行開啟最小占空比脈沖信號(hào)。
本程序用軟件MPLAB IDE v7.42進(jìn)行調(diào)試，程序調(diào)試正常。值得注意的是，T1、T2、T3、T4是T1*、T2*、T3*、T4*修正后的值，因?yàn)槎〞r(shí)器本身和軟件結(jié)構(gòu)的延遲需對此校正，從而達(dá)到準(zhǔn)確值。
在DC-DC變換中，PSM控制模式是一種新型的模式，本文采用通用單片機(jī)并結(jié)合軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)PSM控制器，解決了硬件設(shè)計(jì)難的問題，同時(shí)也解決了工作在輕載時(shí)，功率管開關(guān)頻率容易進(jìn)入音頻范圍的問題。這種控制模式表現(xiàn)出一定的實(shí)用價(jià)值。在現(xiàn)代電源和儀器與儀表電源中，單片機(jī)已成為必不可少的部件，用來實(shí)現(xiàn)檢測、控制、顯示等功能，這樣就省略了單獨(dú)控制單元，節(jié)省了資源，所以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PSM控制部分，具有較好的應(yīng)用前景。
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