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8位元嵌入式设计致胜关键
有效降低高频开关转换器的成本和电路板空间

【作者: Brian Lampkin】2016年12月02日 星期五

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为基于微控制器(MCU)的嵌入式设计减少物料清单(BOM)成本和尺寸,是首要的设计考量之一。在具备开关转换器的8位元MCU设计中实现这些设计目标的途径之一,是采用高频时脉输出来驱动这些开关转换器,而不是采用传统的低频脉宽调变(PWM)输出。这种技术可以减少开关转换器中电感器容量大小,进而降低BOM成本和电路板空间需求。


背景说明

开关转换器通常在嵌入式系统中被用来有效提升或者降低电压,这些转换器使用电感器来储存和传递能量到系统中的负载。电感器会周期性的接通以便将电能转换进电感器的磁场,当电源被关断时,电感器的能量被传送到负载。这些转换器通常由PWM讯号来控制接通和中断,并且该信讯特性会影响转换器的输出特性。


以下举例为一个升压型转换器设计考量,其为输出电压高于输入电压的开关转换器。


连续模式

一般来说,升压转换器可透过「连续」模式运作。这意味着转换器中电感器储存的能量在开关周期之间并未完全释放(例如:电感器放电流未达到零)。用于确定连续模式升压变换器输出电压的公式相当简单。


输出电压可以透过简单改变开关元件的PWM工作周期来调整。然而,有一点需要注意的是,电感器必须够大,以储存在其充电和放电循环中系统所需的能量。这意味着开关频率越慢,电感器充电和放电的时间越长,因此需要更大容量的电感器。当然,电感器容量越大也就越昂贵,所以一般开关转换器设计倾向于更高的开关频率而不是更低的开关频率。


然而,更高开关频率所带来的优点也有上限。当开关频率增加时,电路中开关元件(通常是MOSFET)和电感器内的损耗也会增加,因此一旦这些损耗达到限制,那么开关频率也就达到了上限。


Silicon Labs的C8051和EFM8元件等8位元MCU可使用整合可编程计数阵列(PCA)模组产生可变工作周期的PWM输出,这意味着它们能够有效驱动运行于连续模式下的升压转换器。然而,最大的PWM频率通常低至95.7kHz(最快内部振荡器通常为24.5MHz,然后被256分频后用于8位元PWM),按照开关转换器标准来看这是相当慢的。这也意味着,通常用于控制连续模式下开关转换器的8位元MCU需要相对容量更大并且昂贵的电感器。


非连续模式

连续模式的替代模式是「非连续」模式,其中电感器电流在开关循环的放电周期中被允许完全释放。这种方法会使输出公式复杂化。公式更复杂,同时仍然包含工作周期作为依赖项,而且它导入了额外的依赖项,甚至采用固定工作周期时,我们也能够使用它生成预期的输出。例如,所有的其他条件不变,如果我们以一定比例降低T和电感器容量L,那么输出特性将保持不变。这意味着我们可以使用任意的工作周期,然后增加开关频率以减小电感器容量大小和成本。


此外,在这种模式下PCA拥有一有用的特性,即产生频率输出。在这种模式下,能够产生50%工作周期的频率输出,在正常条件最大能够达到SYSCLK的一半或者12.25MHz。由于之前提及的开关损耗的因素,开关转换器通常不会运行于如此高的频率,典型的运行频率范围在100kHz至4MHz。


范例电路和韧体

在下面的电路中,电压分压器允许MCU去测量输出电压,因此形成反馈回路,这使我们能够在运行时调整输出的行为。调整输出电压能够透过以下方式,在输出电压太高时禁止频率输出,当输出电压太低时重新使能它。此外,一个模拟负载由R4和LED建构,并被连接到电压输出上,如图一。



图一
图一

韧体乃是针对EFM8BB1 MCU而写,但是只要具备PCA模组和具备视窗比较特性的类比数位控制器(ADC),它可以移植到任意8位元MCU上。 PCA配置输出通道0到P0.1接脚,输出频率3.062MHz。 ADC配置在P0.3接脚,取样速率300kHz,使用计时器3溢出触发转换。 ADC也被配置为使用视窗比较特性,仅仅当ADC采样值落入预期的电压范围之外时才触发中断。所有配置完成后,整个回馈回路被包含在ADC中断处理函数(ISR)中:


SI_INTERRUPT (ADC0WC_ISR, ADC0WC_IRQn)


{


uint16_t sample;


//清除視窗比較中斷標誌位元 (//清除视窗比较中断标志位元)


ADC0CN0_ADWINT = 0;


//儲存ADC採樣值 (//储存ADC采样值)


sample = ADC0;


if (sample > MAX_COUNTS)


{


//禁止PWM


P0MDOUT &= ~P0MDOUT_B1__BMASK;


//設置LT值,清除GT值 (//设置LT值,清除GT值)


ADC0LT = MIN_COUNTS;


ADC0GT = 0xFFFF;


}


else if (sample < MIN_COUNTS)


{


//致能PWM


P0MDOUT |= P0MDOUT_B1__PUSH_PULL;


//設置GT值,清除LT值 (//设置GT值,清除LT值)


ADC0LT = 0;


ADC0GT = MAX_COUNTS;


}


}


如果ADC测量值大于ADC0GT值或者小于ADC0LT值,那么将触发中断。如果测量值在这个范围内,则将不会发生任何事。一旦进入ISR,如果测量值超过了预期的最大值,那么频率输出会被禁止。如果它小于预期值,那么频率输出被重新使能。透过把埠配置为开漏模式输出而被有效禁止,因此接脚被电阻器R1拉低,进而关闭MOSFET Q1。


ADC代码中定义的MAX_COUNTS代表9.5V,MIN_COUNTS代表8.5V。其可有效的限制输出电压在8.5-9.5V。



图二
图二

如图二,示波器图像显示了采用该代码的电路输出讯号。通道1是输出电压;通道2是施加到电路BOOST接脚的频率输出。正如你所看到的,当电压低于8.5V时,韧体启动频率输出;当电压大于9.5V时,频率输出被禁止。


当实行时,使用视窗比较模式的ADC需要极少的CPU资源。在我们的测量电路中,CPU在ISR中大约仅有12 μs的活跃时间,每8.9ms两次。总计CPU开销大约是0.14%。减小输出电容导致需要更高频率更新,即输出电压需要更少时间充电到最大限值,最少时间放电到最小限值。


如图三与图四,依序是BOOST接脚连接到MCU的电路以及BOOST接脚中断时的电路。在这种情况下,输出电压会下降至Vin,这时无法达到点亮LED所需的要求。



图三
图三

图四
图四

总结


图五 : (Source:wall.alphacoders)
图五 : (Source:wall.alphacoders)

开关转换器通常被用于嵌入式应用中以有效转换电压为其他值。这些开关转换器经常透过具备可变工作周期的PWM讯号来控制转换器的输出特性。然而,对于大多数MCU来说,生成可变工作周期PWM讯号的能力受限于相对的低频率,因此需要使用更大的电感器。高频、固定工作周期的时脉频率输出能够大幅降低电感器容量大小,因此可作为替代方案,以降低BOM成本和电路板空间需求。


(本文作者为Silicon Labs MCU 应用工程师)


**刊头图片(Source:wall.alphacoders)


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