摘? 要: 在電池供電模式下，采用一種改進的限流PFM升壓轉(zhuǎn)換器為微機器人提供驅(qū)動電壓，既保持了傳統(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，又有很高的轉(zhuǎn)換效率。給出了確定PFM控制器的關(guān)鍵參數(shù)及選擇外部器件的方法，設(shè)計了完整的數(shù)模混合電路系統(tǒng)，實現(xiàn)了管道內(nèi)微機器人的驅(qū)動控制。
關(guān)鍵詞: PFM? 微機器人? 驅(qū)動系統(tǒng)
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近年來由于核工業(yè)、發(fā)電、化工等行業(yè)對細小管道維護的需要，管道內(nèi)微機器人的研究成為人們關(guān)注的熱點。這種管道的直徑一般為20~30mm。對于采用有垂直爬坡能力的管道內(nèi)微機器人，其控制器的設(shè)計要求是對電壓的幅度、頻率、占空比均可調(diào)。筆者設(shè)計的管道內(nèi)壁檢測微機器人控制器的輸入電壓為5V，輸出電壓為-70～+70V，頻率為1kHz，占空比為25%(下坡)或75%(爬坡)。設(shè)計時要求電路要盡可能小、功耗盡可能低，以便能夠采用多芯片封裝技術(shù)集成到單一芯片上，并直接裝載在微機器人上。
根據(jù)以上要求，采用MAXIM公司低功耗的基于PFM的DC-DC升壓芯片、串行輸入DAC、8引腳的MCU以及MOSFET驅(qū)動芯片組成數(shù)?；旌想娐贰?/P>
1 PFM升壓轉(zhuǎn)換器的原理
1.1 升壓轉(zhuǎn)換器
為了減小體積和重量，微機器人采用電池供電。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，需要一個穩(wěn)定的電源電壓。簡單的三端線性穩(wěn)壓器無法滿足要求，只有采用升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。
升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。開關(guān)K接通時電池B給電感L充電，在L中以磁能的形式儲存能量，K斷開后L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負載R1。周期性的開關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負載，而輸出電壓被轉(zhuǎn)換為:
其中，δ為開關(guān)占空比?？刂齐娐繁O(jiān)測輸出電壓并控制占空比，從而達到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出直流電壓的目的。
1.2 PFM控制器
常見的控制方式有PFM 脈沖頻率調(diào)制和PWM脈沖寬度調(diào)制。前者具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大;后者在重載時具有較高效率，噪聲小。而采用改進的限流單穩(wěn)態(tài)時序PFM控制器則同時具有較小的靜態(tài)電流和重載時較高效率的優(yōu)點，故采用該種控制器來驅(qū)動外部MOSFET。限流單穩(wěn)態(tài)時序PFM控制器原理圖如圖2所示。它利用一個誤差比較器、電流檢測放大器、最小關(guān)斷單穩(wěn)態(tài)和最大開啟單穩(wěn)態(tài)作為反饋和控制，消除了傳統(tǒng)門電路振蕩器引起的時間限制。
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由圖1、圖2可知，當輸出電壓降低時，誤差比較器設(shè)置電路開啟外部MOSFET(即開關(guān)K)，通過MOSFET的電流增長向電感L存儲能量，當電流檢測放大器或最大時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)后，MOSFET關(guān)閉，輸入電流的中斷導(dǎo)致電感產(chǎn)生電壓尖峰，從而迫使電感的電流通過輸出二極管D到輸出濾波電容C2和負載。當存儲的能量釋放時，電流下降，直到二極管關(guān)斷。通過二極管的電流大時，輸出濾波電容存儲能量，電流變小時再釋放能量，保持穩(wěn)定的輸出電壓。
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由于電感和峰值開關(guān)電流不獨立，無法直接計算，一般只能靠多次試驗來估計。本文采用由 Darryl Phillips提出的引入ξ(Xi)的方法，快速地推算關(guān)鍵參數(shù)及選擇外部器件。ξ(Xi)是時間參數(shù)的比值，也就是沒有負載時的電流和電路滿負載時的電流下降時間之比。單穩(wěn)態(tài)時序PFM控制器最大頻率時有最大負載，而這受最小關(guān)斷時間限制。因此ξ(Xi)由占空比和開啟電壓以及最小關(guān)斷時間決定。實際上ξ(Xi)只不過是一個參數(shù)，它保證峰值開關(guān)電流和電感值的協(xié)調(diào)，從而達到所希望的輸出功率。原算法是基于PFM升壓回掃式轉(zhuǎn)換器的，加以改動可用于本系統(tǒng)。
例如在本系統(tǒng)中:輸入電壓VIN=5V，最大輸入電壓VIN(MAX)=6V，最小輸入電壓VIN(MIN)=2.5V，輸出電壓VOUT=70V，輸出電流IOUT=10mA。PFM控制器具有2μs最小關(guān)斷時間，1.3μs最小開啟時間，16μs最大開啟時間。
具體計算步驟如下:
ξ(MIN)描述連續(xù)導(dǎo)通模式下電路在最小輸入電壓時不用控制器的最大開啟時間;ξ(MAX)指出控制器何時違背最小開啟時間，是檢查變壓器電感值不太低的預(yù)警值。表1是選擇ξ(MAX)和ξ(MIN)的參考值。
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2 系統(tǒng)
如圖3所示，該系統(tǒng)由升壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)(MCU、DAC、全H橋)兩部分組成。
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2.1 升壓部分
MAX1771是MAXIM公司的一種DC-DC轉(zhuǎn)換器控制芯片。采用一種改進的限流PFM控制方式控制電路，限制電感充電電流使其不超過某一峰值電流。由于限制了峰值電流，采用很小體積的外圍元件就可獲得滿意的輸出紋波，整個DC-DC轉(zhuǎn)換器可以做得非常小，利于降低電路的尺寸和成本。
MAX1771及其外圍電路如圖4所示，由升壓轉(zhuǎn)換器(MAX1771、L1、Q3)來驅(qū)動二極管-電容升壓系統(tǒng)(D3/C2、D2/C6、D1/C7)。DAC控制輸出電壓幅度。為了得到波形穩(wěn)定的高電壓以及較高的轉(zhuǎn)換效率，同時考慮到功耗和電路板的面積，應(yīng)該合理地選擇外圍電路的器件。
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儲能電感L1是影響DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵器件。當流經(jīng)電感的電流較大時，由于磁芯的飽和將使實際電感值下降，所以應(yīng)選用飽和電流較大(大于電感峰值電流)的電感。由前文推導(dǎo)得到應(yīng)該選取飽和電流不低于1A、電感值47μH左右的電感。功率開關(guān)應(yīng)選用開啟電壓較低、導(dǎo)通電阻較小的功率MOSFET。其漏極電流應(yīng)高于電感峰值電流。為提高轉(zhuǎn)換效率，續(xù)流二極管D應(yīng)選用正向?qū)▔航递^低的肖特基二極管，如IN4148。MAX1771內(nèi)部的電流檢測比較器通過檢測R2上的電壓降，并將其與0.1V的參考電壓進行比較，來限制流過電感的峰值電流。由前面的計算可知，電感峰值電流為776.1mA。故應(yīng)選取R2=0.1V/0.776104A=0.13Ω。而濾波電容的等效串聯(lián)電阻ESR是造成輸出紋波的主要因素，而且也會影響到轉(zhuǎn)換效率，所以應(yīng)選用低ESR的電容。
2.2 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的核心是AT902343和MAX550A。其中，AT902343是ATMEL公司的8位微處理器，控制串行D/A轉(zhuǎn)換器MAX550A以及全H橋。VOUT與VDAC間的關(guān)系如圖5所示。由MAX550A的輸出電壓來控制升壓部分的輸出電壓:VDAC由2V降到0V，VOUT可由28V升到71V。采用串模DAC可以節(jié)約電路面積和MCU的引腳。而由升壓系統(tǒng)輸出的直流電壓通過具有自舉功能的MOSFET驅(qū)動芯片IR2103送入全H橋的橋臂。通過編程接口對AT902343進行編程，便可控制全H橋產(chǎn)生頻率為1kHz、幅度為-VOUT～+VOUT、占空比為4:1或1:4的方波。
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采用改進的限流PFM升壓轉(zhuǎn)換器為微機器人提供驅(qū)動電壓，具有低靜態(tài)電流、高轉(zhuǎn)換效率、低功耗和芯片封裝小等特點。對于限流PFM升壓轉(zhuǎn)換器，電感和峰值開關(guān)電流是設(shè)計的關(guān)鍵。由于它們不獨立，無法直接計算出來，可采用引入沒有負載時的電流和電路滿負載時的電流下降時間之比ξ(Xi)的方法來推算關(guān)鍵參數(shù)和選擇外部器件。由MCU、DAC和全H橋組成的控制系統(tǒng)使輸出電壓的幅度、頻率和占空比均可調(diào)，可靈活地控制微機器人動作。
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參考文獻
1 Phillips， Darryl.New Cycle Proportionality Factor Eases PFM Converter Design. Electronic Design， 1997;45(23)
2 MAXIM公司產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，2000
3 林 波，李興根.混合式步進電機SPWM微步驅(qū)動技術(shù)的研究. 微電機，2000(3)
4 張占松.高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源. 廣東:廣東科技出版社，1992