8位单片机在镇流器和功率因数校正中的应用

获得更高PWM分辨率

　　功率逆变器的精确时序控制对于电子镇流器的功能非常关键。通过一些简单的软件技巧，就可使所有PIC单片机上的PWM模块支持不同类型的应用，包括几个占空比必须恒定且输出频率只能以非常小的增量变化的照明应用(参考文献2)。

　　例如，在荧光和HID电子镇流器中，利用频率变化来控制与灯管串联的电感(镇流器)的阻抗。为保持镇流器电感较小(降低成本和尺寸)，开关频率必须非常高，通常在40kHz～120kHz。为更好地控制流过灯管的电流，频率只能以小增量变化，并且还要保持固定的50%占空比。

　　图2给出的是典型PIC单片机捕捉/比较/PWM模块和增强型捕捉/比较/PWM模块(分别对应CCP和ECCP)的框图。每当8位定时器值(TMR2)等于周期寄存器值(PR2)时，一个新周期就开始了，PWM输出置位(输出高)，定时器复位。每当8位定时器值(TMR2)等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)值时，PWM输出清零(输出为低)。因此控制PWM频率所需要的灵活性主要由Timer2模块提供。

　　表1是100kHz左右可以达到的典型输出频率，以及PR2寄存器值对实际PWM周期的影响。不幸的是，如果在可调光电子镇流器中采用10位PWM模块，那么其分辨率不足以提供平滑调光效果，特别是在照明亮度范围的低端，因为此时人眼更为敏感。

　　为了利用数字PWM外设提供约60Hz(一个常用的参考数值)的步进值，时钟频率需要提高约16倍。而实现这一点在成本和技术上都非常具有挑战性。一种更为简单并且成本更低的解决方案是采用与CCP/ECCP模块相关的定时器中断机制，只需外加几行软件代码。

　　基本的思路是将16个PWM周期视为一组，并在两个不同频率值间来回切换(对应PR2寄存器的两个值)。例如，8个周期PR2=100，8个周期PR2=99，则可得到平均频率100,500Hz。通过采用其它比率，1:16、2:16、3:16...15:16，我们可以获得14个中间频率，在100,000Hz和101,010Hz之间相邻间隔大约64Hz。在照明应用中，人眼会自然地对光输出进行积分，感觉到整体的分辨率好像是提高了16倍。

　　最简单的办法是用一个计数器来实现，如图3所示，图中比率为5:16，较低的频率(T1)占对应的几个周期，而较高频率(T2)则占16个一组中的其它几个周期。为了获得平均分布的周期数，使用了一个4位累加器，每个周期，累加器输出增加一个对应的分数值(1...15)。如果产生进位，下一个周期将被扩展(T1)。否则，将保持基本值(T2)。

　　结合基本的软件定时器中断技巧以及许多单片机中都有的10位硬件PWM模块，可以很容易地产生高分辨率的可变频率数字信号。利用CCP模块中内建的中断机制，可以在100kHz附近获得以64Hz为步进增量的可调节频率信号，同时仅需要占用很少的单片机指令周期。

数字控制下的模拟电压缩放

　　现在回到关于PFC的讨论，我们明确了需要为连续电流模式方案生成一个与输入交流电源正弦电压同相的参考波形。实现这一点的一种方法是利用PWM模块产生一个模拟电压(PWM输出驱动一个低通滤波器，如图4所示)，然后再根据单片机中存储的查找表来改变输出频率和幅度。但这种产生模拟参考信号的方法非常耗费资源，因此将这一方法作为动态软件反馈环的一部分比较困难。

　　控制线性信号的另一种方法是用数字方式对模拟信号的幅度进行缩放。例如，PFC电路通过比例缩小输入交流主电源波形为逆变器的初始升压部分，生成一个参考信号。这种按比例缩放保证了对交流电源的负载与电压成比例，逆变器看起来是阻性的。在电子镇流器应用中，逆变器必须根据其输出的中间电压数值来缩放参考值，因此实现PFC时需要一种方法来缩放PFC用做参考的交流信号(参考文献3)。

　　数字分压器是实现输入信号比例缩放的最简单方法。然而，对于低频率的模拟系统，如电子镇流器的交流电源，可采用基于CCP的另一种方法。

　　这一方法采用了一个简单的低通RC滤波器，一个MOSFET晶体管和一个数字PWM输出，如图5所示。低通滤波器的转折频率必须是模拟功率信号最大频率的100倍左右，这样滤波器的响应特性才不会影响到信号的幅度或相位。同样，PWM频率必须是RC滤波器转折频率的约200倍，这样PWM频率就不会超过滤波器能量限制。

图5的电路利用PWM信号调制Q1 MOSFET，从而对输入信号进行了“短接”。此外，这一电路仅允许原始模拟信号的一个特定百分比通过滤波器输出。允许通过滤波器的输入信号百分比由PWM占空比决定，而这一占空比受单片机的软件控制。然后，一个一阶低通滤波器(由R2和C1组成)滤除PWM信号中的调频成份，并将信 号平滑为原始正弦信号波形。结果就构成了一个简单的模拟交流输入电压比例缩放电路，仅采用了