也談單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源

關(guān)于單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源的文章，本版發(fā)出了不少帖，爭(zhēng)論也很激烈。趁此機(jī)會(huì)我也談?wù)勎业膸c(diǎn)看法。

單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源，單從對(duì)電源輸出的控制來(lái)說(shuō)，可以有幾種控制方式。
其一是單片機(jī)輸出一個(gè)電壓（經(jīng)DA芯片或PWM方式），用作電源的基準(zhǔn)電壓。這種方式僅僅是用單片機(jī)代替了原來(lái)的基準(zhǔn)電壓，可以用按鍵輸入電源的輸出電壓值，單片機(jī)并沒(méi)有加入電源的反饋環(huán)，電源電路并沒(méi)有什么改動(dòng)。這種方式最簡(jiǎn)單。
其二是單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測(cè)電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，調(diào)整DA的輸出，控制PWM芯片，間接控制電源的工作。這種方式單片機(jī)已加入到電源的反饋環(huán)中，代替原來(lái)的比較放大環(huán)節(jié)，單片機(jī)的程序要采用比較復(fù)雜的PID算法。
其三是單片機(jī)擴(kuò)展AD，不斷檢測(cè)電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，輸出PWM波，直接控制電源的工作。這種方式單片機(jī)介入電源工作最多。
第三種方式是最徹底的單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源，但對(duì)單片機(jī)的要求也最高。要求單片機(jī)運(yùn)算速度快，而且能夠輸出足夠高頻率的PWM波。這樣的單片機(jī)顯然價(jià)格也高。
DSP類單片機(jī)速度夠高，但目前價(jià)格也很高，從成本考慮，占電源成本的比例太大，不宜采用。
廉價(jià)單片機(jī)中，AVR系列最快，具有PWM輸出，可以考慮采用。但AVR單片機(jī)的工作頻率仍不夠高，只能是勉強(qiáng)使用。下面我們具體計(jì)算一下AVR單片機(jī)直接控制開(kāi)關(guān)電源工作可以達(dá)到什么水平。
AVR單片機(jī)中，時(shí)鐘頻率最高為16MHz。如果PWM分辨率為10位，那么PWM波的頻率也就是開(kāi)關(guān)電源的工作頻率為16000000/1024=15625(Hz)，開(kāi)關(guān)電源工作在這個(gè)頻率下顯然不夠(在音頻范圍內(nèi))。那么取PWM分辨率為9位，這次開(kāi)關(guān)電源的工作頻率為16000000/512=32768(Hz)，在音頻范圍外，可以用，但距離現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的工作頻率還有一定距離。
不過(guò)必須注意，9位分辨率是說(shuō)功率管導(dǎo)通－關(guān)斷這個(gè)周期中，可以分成512份，單就導(dǎo)通而言，假定占空比為0.5，則只能分成256份?？紤]到脈沖寬度與電源的輸出并非線性關(guān)系，需要至少再打個(gè)對(duì)折，也就是說(shuō)，電源輸出最多只能控制到1/128，無(wú)論負(fù)載變化還是網(wǎng)電源電壓變化，控制的程度只能到此為止。
還要注意，上面所述只有一個(gè)PWM波，是單端工作。如果要推挽工作(包括半橋)，那就需要兩個(gè)PWM波，上述控制精度還要減半，只能控制到約1/64。對(duì)要求不高的電源例如電池充電，可以滿足使用要求，但對(duì)要求輸出精度較高的電源，這就不夠了。
綜上所述，AVR單片機(jī)只能很勉強(qiáng)地使用在直接控制PWM的方式中。
但是上列第二種控制方式，即單片機(jī)調(diào)整DA的輸出，控制PWM芯片，間接控制電源的工作，卻對(duì)單片機(jī)沒(méi)有那么高的要求，51系列單片機(jī)已可勝任。而51系列單片機(jī)的價(jià)格比AVR還是低一些。
網(wǎng)友coocle曾發(fā)表他的看法：“單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)的彈性好，如保護(hù)和通訊，我的想法是單片機(jī)和pwm芯片相結(jié)合，現(xiàn)在的一般單片機(jī)的pwm輸出的頻率普遍還不是太高，頻率太高，想要實(shí)現(xiàn)單周期控制也很難。所以我覺(jué)得單片機(jī)可是完成一些彈性的模擬給定，后面還有pwm芯片完成一些工作。”
無(wú)獨(dú)有偶，在電子電源綜合區(qū)中有篇原創(chuàng)文章《DPWM電路的研究》，也是用數(shù)字電路輸出PWM波直接控制開(kāi)關(guān)電源工作。他是用CPLD再加單片機(jī)進(jìn)行控制。眾所周知CPLD的價(jià)格以及開(kāi)發(fā)難度絕非單片機(jī)可比，那么他為什么要這樣做？原因如作者所說(shuō)，由于單片機(jī)的PWM寬度小，導(dǎo)致精度低，不能滿足系統(tǒng)的要求。作者又說(shuō)，在這些情況下，應(yīng)用片外PWM電路無(wú)疑是一種理想的選擇。他選擇CPLD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM。我則建議：還是用開(kāi)關(guān)電源原來(lái)的控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。不但價(jià)格低，而且容易實(shí)現(xiàn)單周期電流檢測(cè)等保護(hù)功能。我們大可不必為數(shù)字控制而數(shù)字控制。