原创三谈单片机控制的开关电源(非原创）

 2010-7-10 19:30  2741 8 8 分类: 电源/新能源

中心论点:
数字控制的电源是技术趋势,但问题是,现有模拟器件的性能已经过剩了.
数字控制的王牌在于智能适应.

maychang网友提到了单片机控制开关电源,这是个很好的思路.

“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. ”

这种方式就不谈论了,太容易实现了

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.

单片机可以自带AD,可是单片机自带AD的采样率,可以说现有单片机除了AD和Ti的都不高.当然,如果有需求,一个高速的AD对于目前动辄130nm、90nm的强大CMOS工艺不是难事.考虑Ti的DSP-MCU TMS320R280x,ADC转换速率80ns. 如果电源工作频率500KHz, 每周期可进行25次采样.Analog Devices的单周期AD单片机太贵.

所以看来单片机厂商们推出高速单周期AD的单片机就能解决这个问题.

至于PWM,Ti的TMS320R280x的PWM分辨率绝对够用(150E-12秒,如果开关频率500khz,可以分成13333等分).相信其他厂商也可以轻易做到(PWM工作频率做高很容易,就是一个累加器加一个寄存器而已,在TSMC Bulk 90nm下即可达到10GHz,500khz可分成20000等分).

有了AD、PWM,剩下的就只有算法了.PID算法是很老的,但也是很省计算资源的,现有单片机一般在33~200MIPS之间,采用跨三阶的普通PID算法稍显浪费.可以采取更多的高阶算法,如5阶PID,Z变换微分方程求解等.

各种算法中的参数对于开关电源并非一成不变的.以Buck变换器为例,当负载Rload改变,输出LC滤波器"L串(Rload并C)"的电压响应函数也发生改变.对于模拟芯片,技术人员通过添加复杂的相位补偿来控制进入误差放大器的信号;但是无论相位如何补偿,对于模拟器件它总是静态的,适应了一种却可能无法适应另外一种负载(如很多电源驱动电阻性负载正常,但在驱动惯性很大的电机(感性负载)时不能稳压).

数字控制的精华就在这里,它可以根据经验动态调整算法参数,如PID中的各项系数.DSP可以代替阻容网络进行滤波,可以进行猜测执行,自动记录响应,并且列出适应当前负载的控制方程.
对于这些,模拟是很难办到的.模拟顶多能通过复杂的运放网络算到二阶,而且只能有一种控制模式,成本也会高于数字.

对于简单电源,模拟器件性能已经过剩,80年代推出的UC384x、SG3525、TL494至今仍然在应用,而且很少用到极限频率.

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.”

单片机控制开关电源,动态响应随着疯狂的工艺升级已经能做得很好,它胜过模拟控制的要点,在于它的智能性,而非重复模拟芯片完成的工作.(引自http://bbs.dianyuan.com/23-215572.html）

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