也谈单片机控制的开关电源

关于单片机控制开关电源的文章，本版发出了不少帖，争论也很激烈。趁此机会我也谈谈我的几点看法。 

单片机控制开关电源，单从对电源输出的控制来说，可以有几种控制方式。 
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。 
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。 
DSP类单片机速度够高，但目前价格也很高，从成本考虑，占电源成本的比例太大，不宜采用。 
廉价单片机中，AVR系列最快，具有PWM输出，可以考虑采用。但AVR单片机的工作频率仍不够高，只能是勉强使用。下面我们具体计算一下AVR单片机直接控制开关电源工作可以达到什么水平。 
AVR单片机中，时钟频率最高为16MHz。如果PWM分辨率为10位，那么PWM波的频率也就是开关电源的工作频率为16000000/1024=15625(Hz)，开关电源工作在这个频率下显然不够(在音频范围内)。那么取PWM分辨率为9位，这次开关电源的工作频率为16000000/512=32768(Hz)，在音频范围外，可以用，但距离现代开关电源的工作频率还有一定距离。 
不过必须注意，9位分辨率是说功率管导通－关断这个周期中，可以分成512份，单就导通而言，假定占空比为0.5，则只能分成256份。考虑到脉冲宽度与电源的输出并非线性关系，需要至少再打个对折，也就是说，电源输出最多只能控制到1/128，无论负载变化还是网电源电压变化，控制的程度只能到此为止。 
还要注意，上面所述只有一个PWM波，是单端工作。如果要推挽工作(包括半桥)，那就需要两个PWM波，上述控制精度还要减半，只能控制到约1/64。对要求不高的电源例如电池充电，可以满足使用要求，但对要求输出精度较高的电源，这就不够了。 
综上所述，AVR单片机只能很勉强地使用在直接控制PWM的方式中。 
但是上列第二种控制方式，即单片机调整DA的输出，控制PWM芯片，间接控制电源的工作，却对单片机没有那么高的要求，51系列单片机已可胜任。而51系列单片机的价格比AVR还是低一些。 
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。” 
无独有偶，在电子电源综合区中有篇原创文章《DPWM电路的研究》，也是用数字电路输出PWM波直接控制开关电源工作。他是用CPLD再加单片机进行控制。众所周知CPLD的价格以及开发难度绝非单片机可比，那么他为什么要这样做？原因如作者所说，由于单片机的PWM宽度小，导致精度低，不能满足系统的要求。作者又说，在这些情况下，应用片外PWM电路无疑是一种理想的选择。他选择CPLD芯片来实现PWM。我则建议：还是用开关电源原来的控制芯片来实现。不但价格低，而且容易实现单周期电流检测等保护功能。我们大可不必为数字控制而数字控制。