基于C8051的軟開關(guān)用移相PWM的實(shí)現(xiàn)

0 引言
    軟開關(guān)技術(shù)近年來已經(jīng)得到了深入，廣泛的研究并且發(fā)展迅速。但在各種軟開關(guān)電路中，使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的觸發(fā)脈沖比較特殊：例如在典型的Boost ZCT—PWM電路[1]中，主開關(guān)管的觸發(fā)脈沖超前于輔助開關(guān)管的觸發(fā)脈沖，兩者雖然頻率相同，但占空比不同。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，利用Cvgnal公司的C8051F系列單片機(jī)可以方便地產(chǎn)生此種軟開關(guān)用的、多路占空比不等的移相PWM脈沖。

1 C805lF系列單片機(jī)可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA簡介
    圖1為PCA原理框圖，以C8051F040為例，PCA包含1個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器和6個(gè)16位捕捉／比較模塊。從圖1中可見，16位PCA專用計(jì)數(shù)器／定時(shí)器的時(shí)基信號可有多種選擇，可通過配置相關(guān)的系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器(SFR)來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)捕捉／比較模塊有自己的I／O線CEXn，可通過配制交叉開關(guān)寄存器(XBR。)將每個(gè)模塊的I／O線連接到端口I／0；每個(gè)模塊都可配制為獨(dú)立工作，有4種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉方式、軟件定時(shí)器比較方式、高速輸出和脈寬調(diào)制器。本文中產(chǎn)生多路占空比不等的移相PWM是使用了捕捉／比較模塊的高速輸出工作方式，其原理如圖2所示。

    PCAOL和PCAOH分別為系統(tǒng)16位PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器的低8位和高8位，PCAOCPLn和PCAOCPHn分別為捕捉／比較模塊寄存器低8位和高8位。在高速輸出方式下，配制模塊工作方式的寄存器PCA0CPM值如圖2中所示。當(dāng)系統(tǒng)PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器與模塊寄存器值發(fā)生匹配時(shí)，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發(fā)生變化，如果將相應(yīng)模塊的I／0線CEXn連接到端口I／0，單片機(jī)相應(yīng)端口輸出電平即發(fā)生變化，這就可實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的高、低電平輸出。每個(gè)模塊的工作是單獨(dú)進(jìn)行的，需要的CPU干預(yù)較少，這就可同時(shí)輸出多路PWM。

    控制寄存器PCAOCN中，CF是當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器溢出時(shí)，由硬件置位，如CF中斷被允許則此時(shí)CPU轉(zhuǎn)向CF中斷服務(wù)程序，該位只能由軟件清零。CR置1是允許PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器工作，置O是禁止。CCF0～CCF5是模塊捕捉比較標(biāo)志，當(dāng)匹配發(fā)生時(shí)，該位由硬件置位，如CCF中斷被允許則此時(shí)CPU轉(zhuǎn)向相應(yīng)CCF中斷服務(wù)程序，該位只能由軟件清零。

    可見要產(chǎn)生多路移相PWM，可允許多個(gè)捕捉／比較模塊同時(shí)工作，當(dāng)發(fā)生匹配即電平轉(zhuǎn)換時(shí)，允許CPU轉(zhuǎn)向CCF中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中，將相應(yīng)的數(shù)值偏移量與寄存器PCAOCPLn和PCAOCPHn值相加，這一數(shù)值偏移量便決定了下一次匹配的時(shí)間，PWM的高、低電平脈寬便由各自相應(yīng)的數(shù)值偏移量決定。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及編程語言的選擇

    系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。

    在針對具體電路應(yīng)用時(shí)，須加入主開關(guān)管PWM觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)子程序，根據(jù)輸出電壓采樣反饋來調(diào)節(jié)其占空比以保證輸出電壓穩(wěn)定。在選擇編程語言時(shí)，同時(shí)用C51和匯編語言來產(chǎn)生2路移相PWM，并作了比較。比較如下：設(shè)定開關(guān)頻率為20kHz，主開關(guān)管觸發(fā)脈沖占空比為50％，輔助管為20％并滯后于主開關(guān)管2lμs開通。進(jìn)入CCF中斷服務(wù)程序后，CPU進(jìn)行捕捉／比較模塊寄存器偏移量計(jì)算時(shí)，以模塊0計(jì)算主開關(guān)管高電壓脈寬偏移量為例，C51語句為：
    tempI=(PCA0CPH0《8)lPCA0CPLO；／／取寄存器當(dāng)前值
    temp1+=0x0271： ／／上升沿，加上高電壓脈寬
    PCA0CPLO=(0Xff&(temp1)；
    PCAOCPH0=[0xff&(temp》8)]；／／計(jì)算結(jié)果返回寄存器

    編譯后的語句執(zhí)行過程為：
    MOV     R7,FCH
    MOV     A,R7
    MOV     R3,FBH
    MOV     0CH,A
    MOV     A,R3
    MOV     0DH,A
    ADD     A,#7lH
    MOV     0DH,A
    MOk     A,#02H
    ADDC    A,OCH／／以上取害存器當(dāng)前值，并加上高電壓脈寬計(jì)算
    MOV     OCH,A
    MOV     A,0DH
    MOV     FBH,A
    M0V     A,OCH
    MOV     FCH，A／／計(jì)算結(jié)果返回寄存器

    直接使用匯編語言實(shí)現(xiàn)相同功能時(shí)，匯編語句為
    mllV    A,R0
    add     A,#071h
    mov     R0,A
    clr     A
    addc    A,Rl
    add     A,#02h
    mov     R1,A
    mov     PCAOCPLO,R0
    mov     PCAOCPHO,Rl

    編譯后的語句執(zhí)行過程為
    MOV     A,RO
    ADD     A,#71H
    MOV     R0,A
    CLR     A
    AkDDC   A,Rl
    ADD     A,#02H
    MOV     R1,A
    MOV     FBH,R0
    MOV     FCH,Rl

    通過比較中斷服務(wù)程序處理過程可見，C51的執(zhí)行過程中有些地址只是作為數(shù)據(jù)存取的中轉(zhuǎn)，另外，還有大量的堆棧操作未在文中給出，這增加了CPU處理CCF中斷的時(shí)鐘周期，如果幾個(gè)中斷優(yōu)先級相同的CCF中斷發(fā)生的時(shí)間間隔過短，就會造成程序跑飛。使用匯編語言編程，在單片機(jī)時(shí)鐘頻率為24．5MHz時(shí)，其中斷服務(wù)程序最少用時(shí)約為35個(gè)時(shí)鐘周期，而C51用時(shí)大概為其2倍。因此，用匯編語言編程可實(shí)現(xiàn)的PWM頻率和移相范圍都要高于C5l。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    1)針對主、輔開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的新型Boost ZCT—PWM電路[圖4(a)]需要的兩路移相PWM觸發(fā)脈沖，用C8051單片機(jī)產(chǎn)生了所需觸發(fā)脈沖[圖4(b)]，并對此Boost電路作了實(shí)驗(yàn)。單片機(jī)端口J／0為低電平有效，故圖4(b)所示是經(jīng)非門反相后的信號。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)：Vin=24V,Vo=48V，輸出功率100W，Lf=5mH，L1=4μH，La=6μH，Ca=1μF，Cf200μF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

    從圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，主、輔開關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了零電流開通和關(guān)斷，表明單片機(jī)產(chǎn)生的移相PWM觸發(fā)脈沖能保證電路實(shí)現(xiàn)預(yù)期的全軟開關(guān)效果。

    2)專用移相控制芯片如UC3879，在軟開關(guān)全橋PWM變換器(如圖6所示)中有很廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出4路PWM脈沖，頻率為50kHz，每路占空比為40％，同一橋臂開關(guān)管死區(qū)時(shí)間設(shè)定為2μs，橋臂S1、S4為一組，S2、S3為一組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

    從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，所產(chǎn)生的PWM脈沖波形頻率和相移精確度高，波形理想。

4 結(jié)語
    通過C805l單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)器列陣PCA產(chǎn)生移相PWM脈沖，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所需產(chǎn)生相應(yīng)脈沖路數(shù)，頻率高，移相范圍廣，精確可靠，可應(yīng)用于多種軟開關(guān)實(shí)驗(yàn)或者實(shí)際電路中。