通用8位MCU

基于微控制器（MCU）的嵌入式設(shè)計(jì)減少物料清單（BOM）成本和尺寸是首要的設(shè)計(jì)考慮之一。在帶有開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的8位MCU設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的途徑之一是采用高頻時(shí)鐘輸出驅(qū)動(dòng)這些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，而不是采用傳統(tǒng)的低頻脈寬調(diào)制（PWM）輸出。這種技術(shù)可以減少開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中電感器容量大小，從而降低BOM成本和電路板空間需求。

背景

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器通常在嵌入式系統(tǒng)中被用于有效提升或者降低電壓。這些轉(zhuǎn)換器使用電感器來(lái)存儲(chǔ)和傳遞能量到系統(tǒng)中的負(fù)載。電感器周期性接通以便把電能轉(zhuǎn)換進(jìn)電感器的磁場(chǎng)。當(dāng)電源被關(guān)斷時(shí)，電感器的能量被傳送到負(fù)載。這些轉(zhuǎn)換器通常由PWM信號(hào)來(lái)控制接通和斷開(kāi)，并且這一信號(hào)特性能夠影響轉(zhuǎn)換器的輸出特性。

例如，下面讓我們來(lái)考慮一個(gè)升壓型轉(zhuǎn)換器，它是輸出電壓高于輸入電壓的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。

連續(xù)模式

通常，升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在“連續(xù)”模式。這意味著，轉(zhuǎn)換器中電感器存儲(chǔ)的能量在開(kāi)關(guān)周期之間并未完全釋放（比如：電感器放電流未達(dá)到零）。用于確定連續(xù)模式升壓變換器輸出電壓的公式是相當(dāng)簡(jiǎn)單的：

Vo/Vi=1/(1-D)

其中，Vo等于輸出電壓，Vi等于輸入電壓，D等于占空比。在這種情況下，輸出電壓可以通過(guò)簡(jiǎn)單的改變開(kāi)關(guān)元件的PWM占空比來(lái)調(diào)整。然而，該模式有一點(diǎn)需要注意：電感器必須足夠大，以存儲(chǔ)在其充電和放電循環(huán)中系統(tǒng)所需的能量。這意味著開(kāi)關(guān)頻率越慢，電感器充電和放電的時(shí)間越長(zhǎng)，因此需要更大容量的電感器。當(dāng)然，電感器容量越大也就越昂貴，所以一般開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)傾向于更高的開(kāi)關(guān)頻率而不是更低的開(kāi)關(guān)頻率。

然而，更高開(kāi)關(guān)頻率所帶來(lái)的好處也有上限。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率增加時(shí)，電路中開(kāi)關(guān)元器件（通常是MOSFET）和電感器內(nèi)的損耗也會(huì)增加，因此一旦這些損耗達(dá)到限制，那么開(kāi)關(guān)頻率也就達(dá)到了上限。

一些8位MCU，例如Silicon Labs的C8051和EFM8器件，有能力使用片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）模塊產(chǎn)生可變占空比的PWM輸出，這意味著它們能夠很好的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行于連續(xù)模式下的升壓轉(zhuǎn)換器。然而，最大的PWM頻率通常低至95.7kHz（最快內(nèi)部振蕩器通常為24.5MHz，然后被256分頻后用于8位PWM），按照開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看這是相當(dāng)慢的。這也意味著，通常用于控制連續(xù)模式下開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的8位MCU需要相對(duì)容量加大、且昂貴的電感器。

例如，我們假設(shè)下面的設(shè)計(jì)需求：

Vin = 3V Vout = 12V Iout = 20mA 開(kāi)關(guān)頻率 = 95.7kHz

為了在75%占空比下運(yùn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，我們需要147µH的電感器。

非連續(xù)模式

連續(xù)模式的替代模式是“非連續(xù)”模式，其中電感器電流在開(kāi)關(guān)循環(huán)的放電周期中被允許完全釋放。這種方法會(huì)使輸出公式復(fù)雜化：

Vo/Vi=1+（（Vi.（D^2）.T）/2LIo）

其中，L是電感值，Io是輸出電流，T是開(kāi)關(guān)周期（開(kāi)關(guān)頻率的倒數(shù)）。正如你所看到的，該公式更復(fù)雜，同時(shí)它仍然包含占空比作為依賴項(xiàng)，而且它引入了額外的依賴項(xiàng)，甚至采用固定占空比時(shí)，我們也能夠使用它生成預(yù)期的輸出。例如，所有的其他條件不變，如果我們成比例的降低T和電感器容量L，那么輸出特性將保持不變。這意味著我們可以使用任意的占空比，然后增加開(kāi)關(guān)頻率以減小電感器容量大小和成本。

此外，在這種模式下PCA有一有用特性：頻率輸出生成。在這種模式下，能夠產(chǎn)生50%占空比的頻率輸出，在正常條件最大能夠達(dá)到SYSCLK的一半或者12.25MHz。由于之前提及的開(kāi)關(guān)損耗的因素，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器通常不會(huì)運(yùn)行于如此高的頻率，典型的運(yùn)行頻率范圍在100kHz至4MHz。在更合理的3.062MHz開(kāi)關(guān)頻率下（24.5MHz SYSCLK被8分頻），我們能夠重做之前的示例，這一次使用非連續(xù)模式，并且采用50%的固定占空比：

Vin = 3V Vout = 12V Iout = 20mA 開(kāi)關(guān)頻率 = 3.062MHz 占空比 = 50%

這一次，所需要的電感器大小減小到2.04uH 。在相同輸出特性條件下，這僅是連續(xù)模式下PWM示例中所需電感容量大小的1/72。

除了電感容量~2.2 µH對(duì)比~150µH之外，其他方面也具可比性：

SRN4026-151M : 150 µH, 220mA: $0.18 @1000 : 4mm x 4mm MLZ2012A2R2M : 2.2 µH, 210mA: $0.058 @1000 : 2mm x 1.25mm

正如你所看到的，這一更小容量的電感導(dǎo)致BOM成本減小了12.2美分，或減少68%。封裝面積也減小了11.5mm^2或72%。

示例電路和固件

作為概念證明，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了相關(guān)的電路和固件。在前面的例子中，電路的特征是靜態(tài)。只要輸入電壓為3V，負(fù)載在12V下持續(xù)消耗20mA電流，那么MCU僅需要輸出一個(gè)3.062MHz方波給開(kāi)關(guān)電路，保持穩(wěn)定的輸出。如果負(fù)載在12V下的耗電流小于20mA，那么輸出電壓將連續(xù)增加直至達(dá)到平衡。由于沒(méi)有任何形式的反饋機(jī)制，如果負(fù)載變化，我們不能確定輸出電壓。

如圖1中的電路，電壓分壓器允許MCU去測(cè)量輸出電壓，因此形成反饋回路，這使得我們能夠在運(yùn)行時(shí)調(diào)整輸出的行為。調(diào)整輸出電壓能夠通過(guò)這樣的方式：在輸出電壓太高時(shí)禁止頻率輸出，當(dāng)輸出電壓太低時(shí)重新使能它。此外，一個(gè)仿真負(fù)載由R4和LED構(gòu)建，并被連接到電壓輸出上：


固件針對(duì)EFM8BB1 MCU而寫(xiě)，但是只要具有PCA模塊和帶窗口比較特性的模數(shù)控制器（ADC），它可以移植到任意8位MCU上。PCA配置輸出通道0到P0.1引腳，輸出頻率3.062MHz。ADC配置在P0.3引腳，采樣率300kHz，使用定時(shí)器3溢出來(lái)觸發(fā)轉(zhuǎn)換。ADC也被配置為使用窗口比較特性，僅僅當(dāng)ADC采樣值落入預(yù)期的電壓范圍之外時(shí)才觸發(fā)中斷。所有配置完成后，整個(gè)反饋環(huán)路被包含在ADC中斷處理函數(shù)（ISR）中：

SI_INTERRUPT (ADC0WC_ISR, ADC0WC_IRQn)

{ uint16_t sample;

//清除窗口比較中斷標(biāo)志位
ADC0CN0_ADWINT = 0;

//存儲(chǔ)ADC采樣值
sample = ADC0;

if (sample > MAX_COUNTS)
{
    //禁止PWM
    P0MDOUT &= ~P0MDOUT_B1__BMASK;

    //設(shè)置LT值，清除GT值
    ADC0LT = MIN_COUNTS;
    ADC0GT = 0xFFFF;
}
else if (sample < MIN_COUNTS)
{
    //使能PWM
    P0MDOUT |= P0MDOUT_B1__PUSH_PULL;

    //設(shè)置GT值，清除LT值
    ADC0LT = 0;
    ADC0GT = MAX_COUNTS;
}
}

如果ADC測(cè)量值大于ADC0GT值或者小于ADC0LT值，那么中斷被觸發(fā)。如果測(cè)量值在這個(gè)范圍內(nèi)，那么不會(huì)發(fā)生任何事情。一旦進(jìn)入ISR，如果測(cè)量值超過(guò)了預(yù)期的最大值，那么頻率輸出被禁止。如果它小于預(yù)期值，那么頻率輸出被重新使能。通過(guò)把端口配置為開(kāi)漏模式輸出而被有效禁止，因此引腳被電阻器R1拉低，進(jìn)而關(guān)閉MOSFET Q1。

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

如圖2，示波器圖像顯示了采用該代碼的電路輸出信號(hào)。


通道1是輸出電壓。通道2是施加到電路BOOST引腳的頻率輸出。正如你所看到的，當(dāng)電壓低于8.5V時(shí)，固件激活頻率輸出；當(dāng)電壓大于9.5V時(shí)，頻率輸出被禁止。

在實(shí)踐中，使用窗口比較模式的ADC需要極少的CPU開(kāi)銷。在我們的測(cè)量電路中，CPU在ISR中大約僅有12 µs的活躍時(shí)間，每8.9ms兩次?？偟腃PU開(kāi)銷大約是0.14%。減小輸出電容導(dǎo)致需要更高頻率更新，即輸出電壓需要更少時(shí)間充電到最大限值，最少時(shí)間放電到最小限值。

如圖3，它是BOOST引腳連接到MCU的電路：


如圖4，它是BOOST引腳斷開(kāi)時(shí)的電路：


在這種情況下，輸出電壓會(huì)下降至Vin，這時(shí)不能達(dá)到點(diǎn)亮LED所需的要求。

總結(jié)

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器通常被用于嵌入式應(yīng)用中，去有效轉(zhuǎn)換電壓到其他值。這些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器經(jīng)常通過(guò)帶有可變占空比的PWM信號(hào)去控制轉(zhuǎn)換器的輸出特性。然而，對(duì)于大多數(shù)MCU來(lái)說(shuō)，生成可變占空比PWM信號(hào)的能力被限制在相對(duì)的低頻率，因此需要使用更大的電感器。作為替代，高頻、固定占空比的時(shí)鐘頻率輸出能夠顯著降低電感器容量大小，減少BOM成本和電路板空間需求。

文章來(lái)源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。


推薦閱讀：

電動(dòng)汽車之熔斷器選型指南
盤點(diǎn)電子電路常見(jiàn)故障類型及處理方法
圓片級(jí)測(cè)試MEMS器件的解決之道
濕度測(cè)量中該如何選用傳感器呢？
電子行業(yè)事件點(diǎn)評(píng):MEMS傳感器迎來(lái)春天