TB3103 使用PIC16F753模拟功能的降压转换器 作者： Mihnea Rosu-Hamzescu Microchip Technology Inc. 简介 本技术摘要介绍了一种基于 PIC16F753 并完全使用模 拟控制实现输出调节的同步降压电源。这种实现的优势 是不占用任何处理器资源，从而释放内核以供更复杂的 固件使用。此外，模拟环路对负载阶跃和输入电压变化 具有更短的响应时间，这对许多应用非常有用。 性能规范 工作范围内的电气规范： 8V ≤ VDD ≤ 16V。 表 1： 电气规范 8-16 伏（直流） 输出电压 5 伏（直流） 输出电流 2 安 输出功率 10 瓦 应用需要的外设包括： 代码长度 105 • 一个互补输出发生器（Complementary Output Generator，COG） • 一个比较器（Comparator，COMP） • 一个运算放大器（Operational Amplifier，OPA） • 一个9位数模转换器（Digital-to-Analog Converter， DAC） • 一个固定参考电压（Fixed Voltage Reference， FVR） • 一个斜率补偿（Slope Compensation，SC）模块 • 一个捕捉 / 比较 /PWM（Capture/Compare/PWM， CCP）模块 RAM 大小 0 输入电压范围 字 字节 效率 94% 2A 下测得 可用代码长度 1943 字 可用RAM 大小 128 字节 外设通过固件在内部连接，从而显著减少该实现所需的 外部引脚数量。 2015 Microchip Technology Inc. DS90003103A_CN 第1 页 TB3103 框图 图 1给出了电源的框图。 输出电压通过峰值电流模式控制进行稳压。将输出电压 与误差放大器（Error Amplifier，EA）的参考电压进行 比较，并将结果馈送至峰值电流比较器。在峰值电流比 较器之前，内部斜率补偿模块会从误差放大器输出中减 去一个软件可编程的斜坡。 CCP 提供具有固定频率和固定占空比的控制信号，并 选择峰值电流比较器输出作为 COG 下降沿的第二个 （分级）源。 图 1： 框图 VIN 负载 MCP14700 COGOUT1 COGOUT0 PIC16F753 COG CCP 下降沿源 + - Isense SC DAC FVR BUF FVRIN DS90003103A_CN 第 2页 + - VREF FB 2015 Microchip Technology Inc. TB3103 图 2： 效率 功能说明 本电源为固定频率峰值电流模式转换器。运算放大器 （OPA）用作输出电压的误差放大器（EA），比较器 会根据EA 反馈限制每个开关周期的峰值电感电流。EA 的参考电压由 DAC 产生，并可在固件中实时更改。 CCP 外设为 COG 生成具有固定频率和固定占空比的控 制信号，并通过选择峰值电流比较器作为第二个下降 沿事件源来关闭环路（根据 EA 反馈限制每个开关脉冲 上的占空比）。 配置完外设并将它们连接在一起后，控制环路会自动运 行，无需占用处理器时间。 占空比超过50%时，峰值电流控制方案需要斜率补偿以 防止振荡。占空比较低时，如果电流检测电阻较小，斜 率补偿还有助于稳定控制环路。PIC16F753 具有一个 内部斜率补偿模块，将误差放大器输出馈送至峰值电流 比较器之前，可利用此模块从该输出中减去一个可编程 的斜坡。 对于同步开关电源，晶体管控制信号需要一个较小的死 区来避免产生直通电流。COG 可根据振荡器频率或模 拟延时链生成此信号。利用模拟延时链，用户可设置 一个分辨率为5 ns的死区，该死区非常适合小晶体管。 针对此特定应用，将死区设置为30 ns。 与电感电流波形非常相近。这种方法的缺点在于效率略 低，但上桥臂电流检测电阻通常需要附加电路（电流镜 或专用 IC），而这会增加成本。 控制环路中没有集成输出电流限制功能，因此应使用 第二个比较器并将其选作COG 的自动关断源。误差放 大器输出即为电感峰值电流限值，因此通过电阻分压器 使该值保持为较低值有助于避免浪涌电流问题和灾难性 的短路状态。但是，这种方法的缺点在于系统增益的降 低以及对瞬态的响应变慢。OPA 输出引脚与斜率补偿 模块输入引脚相同，因此这两个外设可以一起使用，无 需任何其他外部连接。如果使用电阻分压器限制OPA 输出电压，则必须将其从外部连接到 FVR 缓冲器输入 引脚。 本文档中列出的元件值仅作为初始参考。每个设计都 需要 调整这 些值。必须 为转换 器补偿 一个特 定的负 载，并且必须在整个工作条件范围内验证稳定性。 与基于专用PWM 控制器芯片的解决方案相比，虽然性 能相似，但是基于PIC® 单片机的解决方案具有更大的 灵活性。此外，模拟控制环路可自动运行，因此能够完 全释放单片机内核来运行用户算法、测量电源参数或发 送相关信息。 对于降压拓扑，电感电流等于负载电流。为了能够使用 下桥臂电流检测电阻来测量峰值电感电流，需要进行 一些修改。通常情况下，电流检测电阻得到的是峰值 电流控制方案无法使用的滤波输出电流。通过电流检测 电阻将输出电容接地后，ESR 会增大，但生成的波形 2015 Microchip Technology Inc. DS90003103A_CN 第3 页 TB3103 应用 仅用作输入的数字引脚MCLR可用于按钮或类似功能。 在运行时，编程数据I/O 引脚（PGD）和其他两个引脚 空闲，可用于用户特定的功能。 模拟控制环路使电源对动态负载和输入电压变化的响应 足够快。 对于LED或温差电池等电流控制的负载，可以用平均电 流反馈来替代电压反馈。此电源也可以用于需要电压 和 电 流 控 制 的 应 用（例 如，CC/CV 电 池 充 电 器）。 PIC16F753 DAC具有9 位分辨率，可通过 1/2输出分压 器转换为20 mV的最小电压步长。 表 2： 引脚编号 此应用需要一个OPA、一个比较器和一个DAC。DAC 输出可在内部连接到OPA，因此该功能可节省一个引 脚。CCP 模块为COG 生成具有固定频率和固定占空比 的信号。根据限制OPA 输出的用户选项，需要将电阻 分压器从外部连接到FVR缓冲器输入。如果未使用电阻 分压器，则仅使用一个引脚而不是两个。在这种情况 下，OPA 输出（与SC 输入相同）将配置为模拟引脚， 并且不应用于其他用途。 名称 功能 1 VDD 电源电压 10 RC0 模拟输入（COMP）—— 峰 值电流检测 9 RC1 模拟输入（OPA）—— 输出 电压反馈 8 RA1 模拟输出（OPA）—— 误差 放大器输出 12 RA0 模拟输入 —— 来自误差放大 器的峰值电流限制的FVR 缓 冲器输入 12 PGC MCU外设配置图 图 3： PIC16F753 外设配置 6 编程时钟 COG1OUT0 上桥臂控制信号 COG1OUT1 下桥臂控制信号 13 PGD 编程数据 14 VSS 参考地 5 外设配置 PWM LO COG1OUT1 RC4 COG COG1OUT0 RC5 PWM HI CCP COMP2 + ISense SC FVR BUF 峰值电流设定值 RA1 DAC OPA_EA + - VREF RC1 FB RC2 OPA_OUT DS90003103A_CN 第 4页 2015 Microchip Technology Inc. TB3103 表 3： 关键参数图 输出电流 （mA） 表 3包含在 14.3V输入电压和 5V输出电压下获得的某些 充电器特性。计算的效率包括电流检测电阻的功率损 耗。开关频率为250 kHz。 表 3： 电源特性 输出电流 （mA） 占空比 （%） 效率 （%） 0 N/A 50 跳过 34.7 61.1 100 34.9 76.8 250 34.9 88.5 500 35 92.5 图 4： 电源特性（续） 占空比 （%） 效率 （%） 750 35 93.3 1000 35.1 94.0 1200 35.2 94.2 1400 35.3 94.2 1600 35.4 94.2 1800 35.4 95.9 2000 35.5 93.8 占空比 — 负载电流曲线 图 4 给出了转换器在14.3V、12V 和 9V 输入电压下的占 空比—输出电流曲线。电感电流变为连续电流后，占空 比几乎不发生变化，仅用于补偿元件功率损耗。 2015 Microchip Technology Inc. 词汇表 表 4： 缩略词 PWM 脉宽调制 ADC 模数转换器 DAC 数模转换器 COG 互补输出发生器 FVR 固定参考电压 OPA 运算放大器 EA 误差放大器 SC(M) 斜率补偿（模块） CCP 捕捉 / 比较 /PWM DS90003103A_CN 第5 页 TB3103 附录 A： 图 5： 原理图 DS90003103A_CN 第 6页 2015 Microchip Technology Inc. 请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点： • Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标。 • Microchip 确信：在正常使用的情况下， Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一。 • 目前，仍存在着恶意、甚至是非法破坏代码保护功能的行为。就我们所知，所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的 操作规范来使用 Microchip 产品的。这样做的人极可能侵犯了知识产权。 • Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作。 • Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性。代码保护并不意味着我们保证产品是 “牢不可破”的。 代码保护功能处于持续发展中。 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能。任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视 为违反了 《数字器件千年版权法案 （Digital Millennium Copyright Act）》。如果这种行为导致他人在未经授权的情况下，能访问您的 软件或其他受版权保护的成果，您有权依据该法案提起诉讼，从而制止这种行为。 提供本文档的中文版本仅为了便于理解。请勿忽视文档中包含 的英文部分，因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用 情况的有用信息。Microchip Technology Inc. 及其分公司和相 关公司、各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的 任何差错不承担任何责任。建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档。 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便 利，它们可能由更新之信息所替代。确保应用符合技术规范， 是您自身应负的责任。Microchip 对这些信息不作任何明示或 暗示、书面或口头、法定或其他形式的声明或担保，包括但不 限于针对其使用情况、质量、性能、适销性或特定用途的适用 性的声明或担保。 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而 引起的后果不承担任何责任。如果将 Microchip 器件用于生命 维持和 / 或生命安全应用，一切风险由买方自负。买方同意在 由此引发任何一切伤害、索赔、诉讼或费用时，会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任，并加以赔偿。除非另外声明，在 Microchip 知识产权保护下，不得暗中或以其他方式转让任何 许可证。 商标 Microchip 的名称和徽标组合、 Microchip 徽标、 dsPIC、 FlashFlex、 flexPWR、 JukeBlox、 KEELOQ、 KEELOQ 徽标、 Kleer、 LANCheck、 MediaLB、 MOST、 MOST 徽标、 MPLAB、 OptoLyzer、 PIC、 PICSTART、 PIC32 徽标、 RightTouch、 SpyNIC、 SST、 SST 徽标、 SuperFlash 及 UNI/O 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地 区的注册商标。 The Embedded Control Solutions Company 和 mTouch 为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标。 Analog-for-the-Digital Age、BodyCom、chipKIT、chipKIT 徽 标、 CodeGuard、 dsPICDEM、 dsPICDEM.net、 ECAN、 In-Circuit Serial Programming、 ICSP、 Inter-Chip Connectivity、 KleerNet、 KleerNet 徽标、 MiWi、 MPASM、 MPF、 MPLAB Certified 徽标、 MPLIB、 MPLINK、 MultiTRAK、 NetDetach、 Omniscient Code Generation、 PICDEM、 PICDEM.net、 PICkit、 PICtail、 RightTouch 徽 标、 REAL ICE、 SQI、 Serial Quad I/O、 Total Endurance、 TSHARC、 USBCheck、 VariSense、 ViewSpan、 WiperLock、 Wireless DNA 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标。 SQTP 为 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记。 Silicon Storage Technology 为 Microchip Technology Inc. 在 除美国外的国家或地区的注册商标。 GestIC 为 Microchip Technology Inc. 的子公司 Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 在除美国外的国家 或地区的注册商标。 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。 © 2015, Microchip Technology Inc. 版权所有。 ISBN：978-1-63277-646-4 QUALITY MANAGEMENT SYSTEM CERTIFIED BY DNV == ISO/TS 16949 == 2015 Microchip Technology Inc. Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州 Gresham 的全球总部、设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和 印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2009 认证。 Microchip 的 PIC® MCU 与 dsPIC® DSC、KEELOQ® 跳码器件、串行 EEPROM、单片 机外设、非易失性存储器和模拟产品严格遵守公司的质量体系流程。 此外， Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证。 DS90003103A_CN 第7 页 全球销售及服务网点 美洲 亚太地区 亚太地区 欧洲 公司总部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 1-480-792-7200 Fax: 1-480-792-7277 技术支持： http://www.microchip.com/ support 网址：www.microchip.com 亚太总部 Asia Pacific Office Suites 3707-14, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: 852-2943-5100 Fax: 852-2401-3431 台湾地区 - 高雄 Tel: 886-7-213-7828 奥地利 Austria - Wels Tel: 43-7242-2244-39 Fax: 43-7242-2244-393 亚特兰大 Atlanta Duluth, GA Tel: 1-678-957-9614 Fax: 1-678-957-1455 奥斯汀 Austin, TX Tel: 1-512-257-3370 波士顿 Boston Westborough, MA Tel: 1-774-760-0087 Fax: 1-774-760-0088 芝加哥 Chicago Itasca, IL Tel: 1-630-285-0071 Fax: 1-630-285-0075 克里夫兰 Cleveland Independence, OH Tel: 1-216-447-0464 Fax: 1-216-447-0643 达拉斯 Dallas Addison, TX Tel: 1-972-818-7423 Fax: 1-972-818-2924 中国 - 北京 Tel: 86-10-8569-7000 Fax: 86-10-8528-2104 中国 - 成都 Tel: 86-28-8665-5511 Fax: 86-28-8665-7889 中国 - 重庆 Tel: 86-23-8980-9588 Fax: 86-23-8980-9500 中国 - 东莞 Tel: 86-769-8702-9880 中国 - 杭州 Tel: 86-571-8792-8115 Fax: 86-571-8792-8116 中国 - 香港特别行政区 Tel: 852-2943-5100 Fax: 852-2401-3431 中国 - 南京 Tel: 86-25-8473-2460 Fax: 86-25-8473-2470 中国 - 青岛 Tel: 86-532-8502-7355 Fax: 86-532-8502-7205 底特律 Detroit Novi, MI Tel: 1-248-848-4000 中国 - 上海 Tel: 86-21-5407-5533 Fax: 86-21-5407-5066 休斯敦 Houston, TX Tel: 1-281-894-5983 中国 - 沈阳 Tel: 86-24-2334-2829 Fax: 86-24-2334-2393 印第安纳波利斯 Indianapolis Noblesville, IN Tel: 1-317-773-8323 Fax: 1-317-773-5453 洛杉矶 Los Angeles Mission Viejo, CA Tel: 1-949-462-9523 Fax: 1-949-462-9608 纽约 New York, NY Tel: 1-631-435-6000 圣何塞 San Jose, CA Tel: 1-408-735-9110 加拿大多伦多 Toronto Tel: 1-905-673-0699 Fax: 1-905-673-6509 中国 - 深圳 Tel: 86-755-8864-2200 Fax: 86-755-8203-1760 中国 - 武汉 Tel: 86-27-5980-5300 Fax: 86-27-5980-5118 中国 - 西安 Tel: 86-29-8833-7252 Fax: 86-29-8833-7256 中国 - 厦门 Tel: 86-592-238-8138 Fax: 86-592-238-8130 中国 - 珠海 Tel: 86-756-321-0040 Fax: 86-756-321-0049 台湾地区 - 台北 Tel: 886-2-2508-8600 Fax: 886-2-2508-0102 台湾地区 - 新竹 Tel: 886-3-5778-366 Fax: 886-3-5770-955 澳大利亚 Australia - Sydney Tel: 61-2-9868-6733 Fax: 61-2-9868-6755 印度 India - Bangalore Tel: 91-80-3090-4444 Fax: 91-80-3090-4123 印度 India - New Delhi Tel: 91-11-4160-8631 Fax: 91-11-4160-8632 印度 India - Pune Tel: 91-20-3019-1500 日本 Japan - Osaka Tel: 81-6-6152-7160 Fax: 81-6-6152-9310 日本 Japan - Tokyo Tel: 81-3-6880-3770 Fax: 81-3-6880-3771 韩国 Korea - Daegu Tel: 82-53-744-4301 Fax: 82-53-744-4302 韩国 Korea - Seoul Tel: 82-2-554-7200 Fax: 82-2-558-5932 或 82-2-558-5934 马 来西 亚 Malaysia - Kuala Lumpur Tel: 60-3-6201-9857 Fax: 60-3-6201-9859 丹麦 Denmark-Copenhagen Tel: 45-4450-2828 Fax: 45-4485-2829 法国 France - Paris Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79 德国 Germany - Dusseldorf Tel: 49-2129-3766400 德国 Germany - Karlsruhe Tel: 49-721-625370 德国 Germany - Munich Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44 意大利 Italy - Milan Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781 意大利 Italy - Venice Tel: 39-049-7625286 荷兰 Netherlands - Drunen Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340 波兰 Poland - Warsaw Tel: 48-22-3325737 西班牙 Spain - Madrid Tel: 34-91-708-08-90 Fax: 34-91-708-08-91 瑞典 Sweden - Stockholm Tel: 46-8-5090-4654 英国 UK - Wokingham Tel: 44-118-921-5800 Fax: 44-118-921-5820 马来西亚 Malaysia - Penang Tel: 60-4-227-8870 Fax: 60-4-227-4068 菲律宾 Philippines - Manila Tel: 63-2-634-9065 Fax: 63-2-634-9069 新加坡 Singapore Tel: 65-6334-8870 Fax: 65-6334-8850 泰国 Thailand - Bangkok Tel: 66-2-694-1351 Fax: 66-2-694-1350 07/14/15 DS90003103A_CN 第 8页 2015 Microchip Technology Inc.