摘? 要: 在電池供電模式下，采用一種改進的限流PFM升壓轉換器為微機器人提供驅動電壓，既保持了傳統PFM的低靜態電流，又有很高的轉換效率。給出了確定PFM控制器的關鍵參數及選擇外部器件的方法，設計了完整的數模混合電路系統，實現了管道內微機器人的驅動控制。
關鍵詞: PFM? 微機器人? 驅動系統
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近年來由于核工業、發電、化工等行業對細小管道維護的需要，管道內微機器人的研究成為人們關注的熱點。這種管道的直徑一般為20~30mm。對于采用有垂直爬坡能力的管道內微機器人，其控制器的設計要求是對電壓的幅度、頻率、占空比均可調。筆者設計的管道內壁檢測微機器人控制器的輸入電壓為5V，輸出電壓為-70～+70V，頻率為1kHz，占空比為25%(下坡)或75%(爬坡)。設計時要求電路要盡可能小、功耗盡可能低，以便能夠采用多芯片封裝技術集成到單一芯片上，并直接裝載在微機器人上。
根據以上要求，采用MAXIM公司低功耗的基于PFM的DC-DC升壓芯片、串行輸入DAC、8引腳的MCU以及MOSFET驅動芯片組成數模混合電路。
1 PFM升壓轉換器的原理
1.1 升壓轉換器
為了減小體積和重量，微機器人采用電池供電。為保證系統穩定可靠地工作，需要一個穩定的電源電壓。簡單的三端線性穩壓器無法滿足要求，只有采用升壓型開關穩壓器。
升壓型DC-DC轉換器的電路結構原理如圖1所示。開關K接通時電池B給電感L充電，在L中以磁能的形式儲存能量，K斷開后L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負載R1。周期性的開關操作使電池能量源源不斷地送入負載，而輸出電壓被轉換為:
其中，δ為開關占空比。控制電路監測輸出電壓并控制占空比，從而達到調節和穩定輸出直流電壓的目的。
1.2 PFM控制器
常見的控制方式有PFM 脈沖頻率調制和PWM脈沖寬度調制。前者具有較小的靜態電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大;后者在重載時具有較高效率，噪聲小。而采用改進的限流單穩態時序PFM控制器則同時具有較小的靜態電流和重載時較高效率的優點，故采用該種控制器來驅動外部MOSFET。限流單穩態時序PFM控制器原理圖如圖2所示。它利用一個誤差比較器、電流檢測放大器、最小關斷單穩態和最大開啟單穩態作為反饋和控制，消除了傳統門電路振蕩器引起的時間限制。
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由圖1、圖2可知，當輸出電壓降低時，誤差比較器設置電路開啟外部MOSFET(即開關K)，通過MOSFET的電流增長向電感L存儲能量，當電流檢測放大器或最大時間單穩態觸發后，MOSFET關閉，輸入電流的中斷導致電感產生電壓尖峰，從而迫使電感的電流通過輸出二極管D到輸出濾波電容C2和負載。當存儲的能量釋放時，電流下降，直到二極管關斷。通過二極管的電流大時，輸出濾波電容存儲能量，電流變小時再釋放能量，保持穩定的輸出電壓。
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由于電感和峰值開關電流不獨立，無法直接計算，一般只能靠多次試驗來估計。本文采用由 Darryl Phillips提出的引入ξ(Xi)的方法，快速地推算關鍵參數及選擇外部器件。ξ(Xi)是時間參數的比值，也就是沒有負載時的電流和電路滿負載時的電流下降時間之比。單穩態時序PFM控制器最大頻率時有最大負載，而這受最小關斷時間限制。因此ξ(Xi)由占空比和開啟電壓以及最小關斷時間決定。實際上ξ(Xi)只不過是一個參數，它保證峰值開關電流和電感值的協調，從而達到所希望的輸出功率。原算法是基于PFM升壓回掃式轉換器的，加以改動可用于本系統。
例如在本系統中:輸入電壓VIN=5V，最大輸入電壓VIN(MAX)=6V，最小輸入電壓VIN(MIN)=2.5V，輸出電壓VOUT=70V，輸出電流IOUT=10mA。PFM控制器具有2μs最小關斷時間，1.3μs最小開啟時間，16μs最大開啟時間。
具體計算步驟如下:
ξ(MIN)描述連續導通模式下電路在最小輸入電壓時不用控制器的最大開啟時間;ξ(MAX)指出控制器何時違背最小開啟時間，是檢查變壓器電感值不太低的預警值。表1是選擇ξ(MAX)和ξ(MIN)的參考值。
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2 系統
如圖3所示，該系統由升壓系統和控制系統(MCU、DAC、全H橋)兩部分組成。
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2.1 升壓部分
MAX1771是MAXIM公司的一種DC-DC轉換器控制芯片。采用一種改進的限流PFM控制方式控制電路，限制電感充電電流使其不超過某一峰值電流。由于限制了峰值電流，采用很小體積的外圍元件就可獲得滿意的輸出紋波，整個DC-DC轉換器可以做得非常小，利于降低電路的尺寸和成本。
MAX1771及其外圍電路如圖4所示，由升壓轉換器(MAX1771、L1、Q3)來驅動二極管-電容升壓系統(D3/C2、D2/C6、D1/C7)。DAC控制輸出電壓幅度。為了得到波形穩定的高電壓以及較高的轉換效率，同時考慮到功耗和電路板的面積，應該合理地選擇外圍電路的器件。
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儲能電感L1是影響DC-DC轉換器性能的關鍵器件。當流經電感的電流較大時，由于磁芯的飽和將使實際電感值下降，所以應選用飽和電流較大(大于電感峰值電流)的電感。由前文推導得到應該選取飽和電流不低于1A、電感值47μH左右的電感。功率開關應選用開啟電壓較低、導通電阻較小的功率MOSFET。其漏極電流應高于電感峰值電流。為提高轉換效率，續流二極管D應選用正向導通壓降較低的肖特基二極管，如IN4148。MAX1771內部的電流檢測比較器通過檢測R2上的電壓降，并將其與0.1V的參考電壓進行比較，來限制流過電感的峰值電流。由前面的計算可知，電感峰值電流為776.1mA。故應選取R2=0.1V/0.776104A=0.13Ω。而濾波電容的等效串聯電阻ESR是造成輸出紋波的主要因素，而且也會影響到轉換效率，所以應選用低ESR的電容。
2.2 控制系統
控制系統的核心是AT902343和MAX550A。其中，AT902343是ATMEL公司的8位微處理器，控制串行D/A轉換器MAX550A以及全H橋。VOUT與VDAC間的關系如圖5所示。由MAX550A的輸出電壓來控制升壓部分的輸出電壓:VDAC由2V降到0V，VOUT可由28V升到71V。采用串模DAC可以節約電路面積和MCU的引腳。而由升壓系統輸出的直流電壓通過具有自舉功能的MOSFET驅動芯片IR2103送入全H橋的橋臂。通過編程接口對AT902343進行編程，便可控制全H橋產生頻率為1kHz、幅度為-VOUT～+VOUT、占空比為4:1或1:4的方波。
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采用改進的限流PFM升壓轉換器為微機器人提供驅動電壓，具有低靜態電流、高轉換效率、低功耗和芯片封裝小等特點。對于限流PFM升壓轉換器，電感和峰值開關電流是設計的關鍵。由于它們不獨立，無法直接計算出來，可采用引入沒有負載時的電流和電路滿負載時的電流下降時間之比ξ(Xi)的方法來推算關鍵參數和選擇外部器件。由MCU、DAC和全H橋組成的控制系統使輸出電壓的幅度、頻率和占空比均可調，可靈活地控制微機器人動作。
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參考文獻
1 Phillips， Darryl.New Cycle Proportionality Factor Eases PFM Converter Design. Electronic Design， 1997;45(23)
2 MAXIM公司產品數據手冊，2000
3 林 波，李興根.混合式步進電機SPWM微步驅動技術的研究. 微電機，2000(3)
4 張占松.高頻開關穩壓電源. 廣東:廣東科技出版社，1992