8位單片機(jī)在鎮(zhèn)流器和功率因數(shù)校正中的應(yīng)用

　　結(jié)合基本的軟件定時器中斷技巧以及許多單片機(jī)中都有的10位硬件PWM模塊，可以很容易地產(chǎn)生高分辨率的可變頻率數(shù)字信號。利用CCP模塊中內(nèi)建的中斷機(jī)制，可以在100kHz附近獲得以64Hz為步進(jìn)增量的可調(diào)節(jié)頻率信號，同時僅需要占用很少的單片機(jī)指令周期。

　　數(shù)字控制下的模擬電壓縮放

　　現(xiàn)在回到關(guān)于PFC的討論，我們明確了需要為連續(xù)電流模式方案生成一個與輸入交流電源正弦電壓同相的參考波形。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是利用PWM模塊產(chǎn)生一個模擬電壓(PWM輸出驅(qū)動一個低通濾波器，如圖4所示)，然后再根據(jù)單片機(jī)中存儲的查找表來改變輸出頻率和幅度。但這種產(chǎn)生模擬參考信號的方法非常耗費(fèi)資源，因此將這一方法作為動態(tài)軟件反饋環(huán)的一部分比較困難。

　　控制線性信號的另一種方法是用數(shù)字方式對模擬信號的幅度進(jìn)行縮放。例如，PFC電路通過比例縮小輸入交流主電源波形為逆變器的初始升壓部分，生成一個參考信號。這種按比例縮放保證了對交流電源的負(fù)載與電壓成比例，逆變器看起來是阻性的。在電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用中，逆變器必須根據(jù)其輸出的中間電壓數(shù)值來縮放參考值，因此實(shí)現(xiàn)PFC時需要一種方法來縮放PFC用做參考的交流信號(參考文獻(xiàn)3)。

　　數(shù)字分壓器是實(shí)現(xiàn)輸入信號比例縮放的最簡單方法。然而，對于低頻率的模擬系統(tǒng)，如電子鎮(zhèn)流器的交流電源，可采用基于CCP的另一種方法。

　　這一方法采用了一個簡單的低通RC濾波器，一個MOSFET晶體管和一個數(shù)字PWM輸出，如圖5所示。低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率必須是模擬功率信號最大頻率的100倍左右，這樣濾波器的響應(yīng)特性才不會影響到信號的幅度或相位。同樣，PWM頻率必須是RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率的約200倍，這樣PWM頻率就不會超過濾波器能量限制。

　　圖5的電路利用PWM信號調(diào)制Q1 MOSFET，從而對輸入信號進(jìn)行了“短接”。此外，這一電路僅允許原始模擬信號的一個特定百分比通過濾波器輸出。允許通過濾波器的輸入信號百分比由PWM占空比決定，而這一占空比受單片機(jī)的軟件控制。然后，一個一階低通濾波器(由R2和C1組成)濾除PWM信號中的調(diào)頻成份，并將信 號平滑為原始正弦信號波形。結(jié)果就構(gòu)成了一個簡單的模擬交流輸入電壓比例縮放電路，僅采用了幾個無源器件、一個晶體管和一個常見的數(shù)字PWM外設(shè)。

　　然而，需要注意這一技巧存在一些局限。

　　●模擬信號的最大頻率諧波必須小于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，才能防止信號失真；
　　●相對于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，PWM頻率越高，濾波器對PWM頻率的衰減越大；
　　●由于濾波器中電阻器分為兩個(R1和R2)，PWM信號所感受到的實(shí)際轉(zhuǎn)折頻率是模擬信號感受到頻率的兩倍。

　　軟件閉環(huán)控制

　　本設(shè)計中還需要的一部分是功率逆變器輸出和電子鎮(zhèn)流器PFC部分之間的反饋環(huán)。利用一個ADC通道測量直流總線輸出電壓，然后再將此信息饋送到PWM控制器，在PFC模塊內(nèi)確定模擬傳感器的比率，這樣就可以實(shí)現(xiàn)這一反饋。如圖6所示。

　　其它參數(shù)，如燈管的總電流消耗，可以利用單片機(jī)上的ADC通道采樣獲得。過去，僅僅是利用輸出電壓以及生成這一輸出電壓的模擬參考信號之間的直接比例相關(guān)，現(xiàn)在則可以將ADC測量結(jié)果送到更精密的軟件PID環(huán)濾波器，這樣可以獲得更好更平滑的閉環(huán)控制。

　　圖7給出了完整的設(shè)計，其中集成的嵌入式單片機(jī)同時用于PFC控制、電流控制反饋環(huán)和功率逆變輸入頻率控制(頻率增量最小為64Hz)。

　　PIC16F88X采樣PFC模塊輸出，并確定需要的頻率調(diào)整量，因為PWM輸出驅(qū)動數(shù)字/模擬比例縮放電路。應(yīng)用中也使用了ECCP模塊的中斷機(jī)制驅(qū)動半橋功率逆變器，利用簡單的軟件抖動方法獲得更精細(xì)的步進(jìn)值。

　　本設(shè)計中不再需要分立的PFC器件，只需要少量低成本無源外部元件和一個集成的模擬比較器。結(jié)合簡單的軟件和硬件技巧，不需要采用更昂貴的解決方案(如帶有更高分辨率PWM模塊的器件或者外部專用PWM控制器)，利用集成的10位PWM模塊就可以獲得更好的頻率分辨率控制。

　　結(jié)論

　　充分利用8位嵌入式單片機(jī)中集成的模擬和數(shù)字電路，可以很容易地提高照明鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的總體性能并增加更多功能，同時還可以滿足更嚴(yán)格的政府法規(guī)要求。

參考文獻(xiàn)
[1] Microchip Technology Application Note AN809, “Digitally-Addressable DALI Dimming Ballast,” Ross Fosler, Microchip Technology Inc.; Cecilia Contenti and Tom Ribareich, International Rectifier.
[2]“A Technique to Increase the Frequency Resolution of PIC? MCU PWM Modules,” by Lucio Di Jasio, Microchip

Technology Inc.
[3]“Bit Bashing,” by Keith Curtis, Microchip Technology’s microSolutions e-Newsletter, Nov. 2006.