摘　要： 跨周期調制" title="跨周期調制">跨周期調制是一種不同于PWM和PFM的功率變換調制模式。提出了一種基于單片機實現(xiàn)的PSM調制模式的控制電路，采用軟件方法實現(xiàn)了跨周期調制控制模式，解決了硬件設計難的問題，同時也解決了工作在輕載時功率管" title="功率管">功率管開關頻率容易進入音頻范圍的問題。
　　關鍵詞： 跨周期調制 單片機 開關電源

　　提高負載的功率利用率是新型開關電源" title="開關電源">開關電源的研究熱點之一。以脈沖跨周期調制(PSM)模式為基礎的開關電源，通過改變其有效工作頻率改變輸出功率，可使其開關損耗與輸出功率成正比。采用這種調制模式的開關電源工作在輕負載時，比常規(guī)的PWM調制模式的開關電源效率高，且具有響應速度快、抗干擾能力強、EMI好等優(yōu)點^[1]。
　　本文采用單片機并結合軟件編程方法實現(xiàn)PSM控制電路，不僅解決了硬件設計難的問題，同時也解決了工作在輕負載時功率管開關頻率容易進入音頻范圍的問題。
1 跨周期調制工作原理
　　這里以BUCK(串聯(lián)開關穩(wěn)壓電源)電路為例說明跨周期調制的工作原理。BUCK電路如圖1所示，其中V_CC、V₀分別為電路的輸入、輸出電壓，V_P為開關功率管T_r的控制信號，即PSM控制電路的輸出信號。

　　跨周期調制是以時鐘脈沖為基本控制信號作用在功率開關管上實現(xiàn)的。在額定負載時，控制信號作用在功率開關管T_r上，輸出穩(wěn)定的電壓V₀，此時開關頻率為時鐘頻率；當負載變輕時，輸出電流減小，輸出電壓增加，當輸出電壓V₀高于基準電壓" title="基準電壓">基準電壓V_ref，及在下一個時鐘脈沖來臨時，就跨過這個時鐘脈沖，以保持輸出電壓穩(wěn)定。此時開關頻率不等于時鐘頻率。這就是跨周期調制的基本原理，工作波形如圖2所示。

　　因此可以看出，跨周期調制方式就是使變換器工作在滿頻率或跨過幾個工作周期以保持輸出電壓V₀穩(wěn)定的調制方式。
　　簡單的PSM硬件控制電路如圖3所示。

　　在一個時鐘信號" title="時鐘信號">時鐘信號來臨時，如果輸出端的反饋電壓Vf低于基準電壓V_ref，比較器輸出高電平，D觸發(fā)器也輸出高電平，時鐘信號與D觸發(fā)器輸出的高電平同時送到與門，則與門輸出時鐘信號；如果輸出端的反饋電壓V_f高于基準電壓V_ref，比較器輸出低電平，D觸發(fā)器也輸出低電平，則與門封鎖時鐘信號，即時鐘信號被跨過。
　　經(jīng)過兩種情況可得到PSM控制信號V_P，如圖4所示。

2 基于單片機實現(xiàn)的PSM控制電路
　　一個完整的DC/DC變換器包括主電路、控制電路、過壓/過流保護電路、熱保護電路以及軟啟動電路等，其中控制電路是整個變換器的核心，本文以PSM控制技術為基礎，著重介紹控制電路的設計。
　　圖5是具體實現(xiàn)電路，主電路采用BUCK拓撲結構，控制電路由單片機和驅動電路組成。圖中單片機采用是Microchip公司面向終端的PIC16C620(A)，該單片機內置電壓比較器。

　　設主電路中輸入電壓為15V，輸出電壓為9V，額定負載為5Ω，額定工作頻率為50kHz，紋波電壓為輸出電壓的0.5%，儲能電感L為100μH，電容C為470μF，時鐘脈沖占空比D1約為0.6。
　　在額定負載時，由于額定工作頻率為50kHz，所以時鐘周期TS=20μs。由于占空比D1約為0.6所以T₁^*=12μs，T₂^*=8μs。式中，T₁^*為在額定負載下晶體管開通時間，T₂^*為在額定負載下晶體管關斷時間。
　　另外,PSM也存在固有的缺陷，就是在輕負載情況下，當功率管開關連續(xù)跳過若干個周期，即有效頻率進入20kHz以下時，功率管進入音頻范圍，會有“咝咝”聲，產(chǎn)生可聞噪聲。所以在本文中，在連續(xù)跳過3個時鐘周期后，強迫功率管導通一個最小占空比，從而避免電路產(chǎn)生明顯的開關噪聲。
　　在輕載的情況下，最小時鐘脈沖占空比為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間，T₄^*為在輕載情況下晶體管關斷時間。
3 軟件設計
　　本文的重點在于單片機軟件編程，此單片機具有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為控制信號的輸出端，INC為連續(xù)跳過周期的個數(shù)標志位(計數(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。

　　從負載檢測到的反饋電壓Vf與基準電壓V_ref進行比較，結果存入C1OUT中，若反饋電壓小于基準電壓，則C1OUT的值為0，于是單片機的RB1端在本周期內發(fā)出時鐘信號，開關管在本周期內導通。當反饋電壓高于基準電壓時，則C1OUT的值為1，于是單片機在RB1端封鎖時鐘信號，則開關管在本周期內不導通。當檢測到INC從00001000H狀態(tài)到00000001H狀態(tài)時，說明時鐘信號已經(jīng)跳過3個周期，功率管開關頻率進入音頻范圍，單片機強行開啟最小占空比脈沖信號。
　　本程序用軟件MPLAB IDE v7.42進行調試，程序調試正常。值得注意的是，T₁、T₂、T₃、T₄是T₁^*、T₂^*、T₃^*、T₄^*修正后的值，因為定時器本身和軟件結構的延遲需對此校正，從而達到準確值。
　　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并結合軟件編程的方法來實現(xiàn)PSM控制器，解決了硬件設計難的問題，同時也解決了工作在輕載時，功率管開關頻率容易進入音頻范圍的問題。這種控制模式表現(xiàn)出一定的實用價值。在現(xiàn)代電源和儀器與儀表電源中，單片機已成為必不可少的部件，用來實現(xiàn)檢測、控制、顯示等功能，這樣就省略了單獨控制單元，節(jié)省了資源，所以用單片機實現(xiàn)PSM控制部分，具有較好的應用前景。
參考文獻
[1] 羅萍，李肇基，熊富貴，等. PSM開關變換器的平均模型與特性分析[J].電工技術學報，2005，(3).
[2]  曾家玲,王順平. 基于PSM調制方式的雙環(huán)控制電路的設計[J]. 微電子學,2005，(11).
[3]  羅萍, 李強. 新型開關電源的關鍵技術[J]. 微電子學,2005，(2).
[3]  LUO Ping, LUO Lu Yang， LI Zhao Ji，et al. Skip cycle modulation in switching DC-DC converter[G]. ICCCAS, 2002: 1716-1719.
[4]  張占松， 蔡宣三. 開關電源的原理與設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,1998.