利用微控制器简化电子镇流器的设计

MCU

在电子镇流控制电路的设计中，有两种功能可以采用低成本的8位嵌入式MCU来实现：一种是PFC，另一种是电子镇流功率变换器的精确驱动。这类MCU中大多集成了模拟电路，例如模拟比较器和多通道ADC。这种电路通常与数字外设模块(例如数字PWM模块)结合使用。所有这些电路都受控于固件，这种固件可用于控制传统的模拟系统。

除了这些模拟模块之外，有些嵌入式MCU还具有增强型通用同步-异步收发器，或者作为主模块的硬件串行同步端口通信外设模块。这些功能可以实现包括远程控制在内的多种通信接口，进一步提高镇流器设计的模块化和灵活性。

提高PWM的分辨率

通过一种简单的软件技术能够使所有的PIC MCU PWM模块都支持不同类型的应用，包括多种照明应用，其中占空比必须保持恒定，输出频率只能变化很小的增量。

例如，在荧光灯和HID电子镇流器中，通过频率的变化可以控制与灯管串联在一起的电感(镇流器)的阻抗。为了保持镇流器电感尽可能得小(以降低成本和尺寸)，必须采用相对较高的开关频率——通常在40KHz到120KHz的范围内。


图2给出了普通的微芯片PIC MCU的捕获并比较模块与增强型的捕获并比较PWM模块(分别表示为CCP和ECCP)。每当定时器2(TMR2)中8位定时器的值等于周期寄存器的值(PR2)时，开始一个新的周期，PWM的输出被置位(输出高电平)，定时器被复位。每当TMR2等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)的值时，PWM输出清零(输出低电平)。因此，TMR2模块的结构实现了PWM频率控制所需的灵活性。

本文的表格给出了100KHz左右能够产生的典型输出频率，以及PR2寄存器的值对实际PWM周期的影响。但是，如果在具有亮度控制功能的电子镇流器中使用这种10位PWM模块，那么这一分辨率不足以实现平滑的亮度控制效果，尤其是在人眼不太敏感的低亮度范围内。

要想为数字PWM外设模块提供常用的60Hz左右的步进频率参考值，时钟频率需要增大16倍，这将是一个成本高、技术难度大、有挑战性的实现方案。采用与CCP/ECCP模块相关的定时器中断机制，只需要少量的固件代码，就可以实现一种简单的、低成本的方案。

主要设计思想是，每次采用多组16个PWM周期，并在两个离散的频率值(两个连续的PR2寄存器值)之间进行交替。例如，通过交替8个等于100的PR2周期和8个等于99的PR2周期，我们就可以获得大小为100.5KHz的平均频率。通过使用从1比16到15比16的其他各个比值，我们就产生了14个间隔增量约为64Hz的等间隔中间步进频率，大小在100KHz到101.01KHz之间。在该照明应用中，人眼本身能够合成输出光源，感觉上好像整个频率分辨率增大了16倍。

能够实现这种机制最简单的算法是采用一个计数器，使计数周期等于较低频率下(T1)所需的分数值，后面紧接着较高频率下(T2)与之互补的周期数，如图3所示。要想获得间隔均匀的周期分布，可以采用一个4位累加器，在每一个周期内，将所选的分数值(1到15)加到该累加器上。如果产生了进位，那么随后一个周期的持续时间将等于T1；否则，将等于基值T2。

通过结合使用基本的软件定时器中断技术与许多MCU提供的10位硬件PWM模块，我们很容易生成复合的频率信号，获得与高分辨率可变频数字信号相同的连续亮度控制效果。采用CCP模块内建的中断机制，我们能够以64Hz大小的步进值对100KHz的信号进行有效调整，同时只占用很少一部分可用的MCU指令周期。


数字电压缩放

在实现基于线性电流控制的PFC时，有必要产生一个与交流市电电源的正弦输入电压同相的基准波形。一种方法是采用一个PWM输出信号驱动一个低通R-C滤波器(如图4所示)，然后根据存储在MCU存储器内的查找表改变PWM的输出大小，产生所需的幅值和频率。这是一种产生模拟基准信号的资源密集型方法。我们很难将这种方法动态地用作软件反馈回路的一部分。

另外一种控制线性信号的方法是对模拟信号的幅值电平进行数字缩放。例如，PFC电路对输入的交流电压波形进行了缩放，产生了变频器初始升压阶段的基准信号。这种缩放使得交流线路上的电流与电压成正比，变频器的交流输入呈现出带电阻的状态。

对于这种电子镇流控制的应用，变频器还必须对基于其输出端上中间直流电压的基准电压值进行缩放，因此在实现PFC时需要采用一种方法控制对用于驱动其电流基准信号的交流输入电压的缩放比例。

实现模拟信号的数控缩放最简单的方法就是采用数字电位器。但是对于工作在为电子镇流控制器提供的交流输入电压大小范围内的低频模拟系统而言，另外一种方法就是采用MCU的CCP功能。


该方法采用一个低通R-C滤波器，用一个与MOSFET晶体管相连的抽头对滤波器的电阻进行等分。采用一个数字PWM输出信号驱动该MOSFET的栅极(如图5所示)。低通滤波器的转角频率必须近似等于模拟电源信号最大频率的100倍，从而确保滤波器的响应特性不会对信号的幅值或相位产生副作用。