基于单片机实现的跨周期调制

提高负载的功率利用率是新型开关电源的研究热点之一。以脉冲跨周期调制(PSM)模式为基础的开关电源，通过改变其有效工作频率改变输出功率，可使其开关损耗与输出功率成正比。采用这种调制模式的开关电源工作在轻负载时，比常规的PWM调制模式的开关电源效率高，且具有响应速度快、抗干扰能力强、EMI好等优点[1]。
　　本文采用单片机并结合软件编程方法实现PSM控制电路，不仅解决了硬件设计难的问题，同时也解决了工作在轻负载时功率管开关频率容易进入音频范围的问题。
1 跨周期调制工作原理
　　这里以BUCK(串联开关稳压电源)电路为例说明跨周期调制的工作原理。BUCK电路如图1所示，其中VCC、V0分别为电路的输入、输出电压，VP为开关功率管Tr的控制信号，即PSM控制电路的输出信号。

　　跨周期调制是以时钟脉冲为基本控制信号作用在功率开关管上实现的。在额定负载时，控制信号作用在功率开关管Tr上，输出稳定的电压V0，此时开关频率为时钟频率；当负载变轻时，输出电流减小，输出电压增加，当输出电压V0高于基准电压Vref，及在下一个时钟脉冲来临时，就跨过这个时钟脉冲，以保持输出电压稳定。此时开关频率不等于时钟频率。这就是跨周期调制的基本原理，工作波形如图2所示。

　　因此可以看出，跨周期调制方式就是使变换器工作在满频率或跨过几个工作周期以保持输出电压V0稳定的调制方式。
　　简单的PSM硬件控制电路如图3所示。

　　在一个时钟信号来临时，如果输出端的反馈电压Vf低于基准电压Vref，比较器输出高电平，D触发器也输出高电平，时钟信号与D触发器输出的高电平同时送到与门，则与门输出时钟信号；如果输出端的反馈电压Vf高于基准电压Vref，比较器输出低电平，D触发器也输出低电平，则与门封锁时钟信号，即时钟信号被跨过。
　　经过两种情况可得到PSM控制信号VP，如图4所示。

2 基于单片机实现的PSM控制电路
　　一个完整的DC/DC变换器包括主电路、控制电路、过压/过流保护电路、热保护电路以及软启动电路等，其中控制电路是整个变换器的核心，本文以PSM控制技术为基础，着重介绍控制电路的设计。[page]
　　图5是具体实现电路，主电路采用BUCK拓扑结构，控制电路由单片机和驱动电路组成。图中单片机采用是Microchip公司面向终端的PIC16C620(A)，该单片机内置电压比较器。

　　设主电路中输入电压为15V，输出电压为9V，额定负载为5Ω，额定工作频率为50kHz，纹波电压为输出电压的0.5%，储能电感L为100μH，电容C为470μF，时钟脉冲占空比D1约为0.6。
　　在额定负载时，由于额定工作频率为50kHz，所以时钟周期TS=20μs。由于占空比D1约为0.6所以T1*=12μs，T2*=8μs。式中，T1*为在额定负载下晶体管开通时间，T2*为在额定负载下晶体管关断时间。
　　另外,PSM也存在固有的缺陷，就是在轻负载情况下，当功率管开关连续跳过若干个周期，即有效频率进入20kHz以下时，功率管进入音频范围，会有“咝咝”声，产生可闻噪声。所以在本文中，在连续跳过3个时钟周期后，强迫功率管导通一个最小占空比，从而避免电路产生明显的开关噪声。
　　在轻载的情况下，最小时钟脉冲占空比为0.06。所以T3*=1.2μs，T4*=18.8μs。式中， T3*为在轻载情况下晶体管开通时间，T4*为在轻载情况下晶体管关断时间。
3 软件设计
　　本文的重点在于单片机软件编程，此单片机具有14位指令系统，8位数据线，多种中断，100ns指令周期，内置电压比较器等主要特性。
　　系统的软件流程图如图6所示。图中，RB1为控制信号的输出端，INC为连续跳过周期的个数标志位(计数器)，C1OUT是电压比较器的输出状态，控制本周期的脉冲是否被跳过。

　　从负载检测到的反馈电压Vf与基准电压Vref进行比较，结果存入C1OUT中，若反馈电压小于基准电压，则C1OUT的值为0，于是单片机的RB1端在本周期内发出时钟信号，开关管在本周期内导通。当反馈电压高于基准电压时，则C1OUT的值为1，于是单片机在RB1端封锁时钟信号，则开关管在本周期内不导通。当检测到INC从00001000H状态到00000001H状态时，说明时钟信号已经跳过3个周期，功率管开关频率进入音频范围，单片机强行开启最小占空比脉冲信号。
　　本程序用软件MPLAB IDE v7.42进行调试，程序调试正常。值得注意的是，T1、T2、T3、T4是T1*、T2*、T3*、T4*修正后的值，因为定时器本身和软件结构的延迟需对此校正，从而达到准确值。
　　在DC-DC变换中，PSM控制模式是一种新型的模式，本文采用通用单片机并结合软件编程的方法来实现PSM控制器，解决了硬件设计难的问题，同时也解决了工作在轻载时，功率管开关频率容易进入音频范围的问题。这种控制模式表现出一定的实用价值。在现代电源和仪器与仪表电源中，单片机已成为必不可少的部件，用来实现检测、控制、显示等功能，这样就省略了单独控制单元，节省了资源，所以用单片机实现PSM控制部分，具有较好的应用前景。
参考文献
[1] 罗萍，李肇基，熊富贵，等. PSM开关变换器的平均模型与特性分析[J].电工技术学报，2005，(3).
[2]  曾家玲,王顺平. 基于PSM调制方式的双环控制电路的设计[J]. 微电子学,2005，(11).
[3]  罗萍, 李强. 新型开关电源的关键技术[J]. 微电子学,2005，(2).
[3]  LUO Ping, LUO Lu Yang， LI Zhao Ji，et al. Skip cycle modulation in switching DC-DC converter[G]. ICCCAS, 2002: 1716-1719.
[4]  张占松， 蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 北京：电子工业出版社,1998.