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8位元嵌入式設計致勝關鍵
有效降低高頻開關轉換器的成本和電路板空間

【作者: Brian Lampkin】   2016年12月02日 星期五

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為基於微控制器(MCU)的嵌入式設計減少物料清單(BOM)成本和尺寸,是首要的設計考量之一。在具備開關轉換器的8位元MCU設計中實現這些設計目標的途徑之一,是採用高頻時脈輸出來驅動這些開關轉換器,而不是採用傳統的低頻脈寬調變(PWM)輸出。這種技術可以減少開關轉換器中電感器容量大小,進而降低BOM成本和電路板空間需求。


背景說明

開關轉換器通常在嵌入式系統中被用來有效提升或者降低電壓,這些轉換器使用電感器來儲存和傳遞能量到系統中的負載。電感器會週期性的接通以便將電能轉換進電感器的磁場,當電源被關斷時,電感器的能量被傳送到負載。這些轉換器通常由PWM訊號來控制接通和中斷,並且該信訊特性會影響轉換器的輸出特性。


以下舉例為一個升壓型轉換器設計考量,其為輸出電壓高於輸入電壓的開關轉換器。


連續模式

一般來說,升壓轉換器可透過「連續」模式運作。這意味著轉換器中電感器儲存的能量在開關週期之間並未完全釋放(例如:電感器放電流未達到零)。用於確定連續模式升壓變換器輸出電壓的公式相當簡單。


輸出電壓可以透過簡單改變開關元件的PWM工作週期來調整。然而,有一點需要注意的是,電感器必須夠大,以儲存在其充電和放電循環中系統所需的能量。這意味著開關頻率越慢,電感器充電和放電的時間越長,因此需要更大容量的電感器。當然,電感器容量越大也就越昂貴,所以一般開關轉換器設計傾向於更高的開關頻率而不是更低的開關頻率。


然而,更高開關頻率所帶來的優點也有上限。當開關頻率增加時,電路中開關元件(通常是MOSFET)和電感器內的損耗也會增加,因此一旦這些損耗達到限制,那麼開關頻率也就達到了上限。


Silicon Labs的C8051和EFM8元件等8位元MCU可使用整合可編程計數陣列(PCA)模組產生可變工作週期的PWM輸出,這意味著它們能夠有效驅動運行於連續模式下的升壓轉換器。然而,最大的PWM頻率通常低至95.7kHz(最快內部振盪器通常為24.5MHz,然後被256分頻後用於8位元PWM),按照開關轉換器標準來看這是相當慢的。這也意味著,通常用於控制連續模式下開關轉換器的8位元MCU需要相對容量更大並且昂貴的電感器。


非連續模式

連續模式的替代模式是「非連續」模式,其中電感器電流在開關循環的放電週期中被允許完全釋放。這種方法會使輸出公式複雜化。公式更複雜,同時仍然包含工作週期作為依賴項,而且它導入了額外的依賴項,甚至採用固定工作週期時,我們也能夠使用它生成預期的輸出。例如,所有的其他條件不變,如果我們以一定比例降低T和電感器容量L,那麼輸出特性將保持不變。這意味著我們可以使用任意的工作週期,然後增加開關頻率以減小電感器容量大小和成本。


此外,在這種模式下PCA擁有一有用的特性,即產生頻率輸出。在這種模式下,能夠產生50%工作週期的頻率輸出,在正常條件最大能夠達到SYSCLK的一半或者12.25MHz。由於之前提及的開關損耗的因素,開關轉換器通常不會運行於如此高的頻率,典型的運行頻率範圍在100kHz至4MHz。


範例電路和韌體

在下面的電路中,電壓分壓器允許MCU去測量輸出電壓,因此形成反饋迴路,這使我們能夠在運行時調整輸出的行為。調整輸出電壓能夠透過以下方式,在輸出電壓太高時禁止頻率輸出,當輸出電壓太低時重新使能它。此外,一個模擬負載由R4和LED建構,並被連接到電壓輸出上,如圖一。



圖一
圖一

韌體乃是針對EFM8BB1 MCU而寫,但是只要具備PCA模組和具備視窗比較特性的類比數位控制器(ADC),它可以移植到任意8位元MCU上。PCA配置輸出通道0到P0.1接腳,輸出頻率3.062MHz。ADC配置在P0.3接腳,取樣速率300kHz,使用計時器3溢出觸發轉換。ADC也被配置為使用視窗比較特性,僅僅當ADC採樣值落入預期的電壓範圍之外時才觸發中斷。所有配置完成後,整個回饋迴路被包含在ADC中斷處理函數(ISR)中:


SI_INTERRUPT (ADC0WC_ISR, ADC0WC_IRQn)


{


uint16_t sample;


//清除視窗比較中斷標誌位元


ADC0CN0_ADWINT = 0;


//儲存ADC採樣值


sample = ADC0;


if (sample > MAX_COUNTS)


{


//禁止PWM


P0MDOUT &= ~P0MDOUT_B1__BMASK;


//設置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


ADC0LT = 0;


ADC0GT = MAX_COUNTS;


}


}


如果ADC測量值大於ADC0GT值或者小於ADC0LT值,那麼將觸發中斷。如果測量值在這個範圍內,則將不會發生任何事。一旦進入ISR,如果測量值超過了預期的最大值,那麼頻率輸出會被禁止。如果它小於預期值,那麼頻率輸出被重新使能。透過把埠配置為開漏模式輸出而被有效禁止,因此接腳被電阻器R1拉低,進而關閉MOSFET Q1。


ADC代碼中定義的MAX_COUNTS代表9.5V,MIN_COUNTS代表8.5V。其可有效的限制輸出電壓在8.5-9.5V。



圖二
圖二

如圖二,示波器圖像顯示了採用該代碼的電路輸出訊號。通道1是輸出電壓;通道2是施加到電路BOOST接腳的頻率輸出。正如你所看到的,當電壓低於8.5V時,韌體啟動頻率輸出;當電壓大於9.5V時,頻率輸出被禁止。


當實行時,使用視窗比較模式的ADC需要極少的CPU資源。在我們的測量電路中,CPU在ISR中大約僅有12 μs的活躍時間,每8.9ms兩次。總計CPU開銷大約是0.14%。減小輸出電容導致需要更高頻率更新,即輸出電壓需要更少時間充電到最大限值,最少時間放電到最小限值。


如圖三與圖四,依序是BOOST接腳連接到MCU的電路以及BOOST接腳中斷時的電路。在這種情況下,輸出電壓會下降至Vin,這時無法達到點亮LED所需的要求。



圖三
圖三

圖四
圖四

總結


圖五 : (Source:wall.alphacoders)
圖五 : (Source:wall.alphacoders)

開關轉換器通常被用於嵌入式應用中以有效轉換電壓為其他值。這些開關轉換器經常透過具備可變工作週期的PWM訊號來控制轉換器的輸出特性。然而,對於大多數MCU來說,生成可變工作週期PWM訊號的能力受限於相對的低頻率,因此需要使用更大的電感器。高頻、固定工作週期的時脈頻率輸出能夠大幅降低電感器容量大小,因此可作為替代方案,以降低BOM成本和電路板空間需求。


(本文作者為Silicon Labs MCU 應用工程師)


**刊頭圖片(Source:wall.alphacoders)


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