基于C8051的软开关用移相PWM的实现

0 引言
    软开关技术近年来已经得到了深入，广泛的研究并且发展迅速。但在各种软开关电路中，使开关管实现软开关的触发脉冲比较特殊：例如在典型的Boost ZCT—PWM电路[1]中，主开关管的触发脉冲超前于辅助开关管的触发脉冲，两者虽然频率相同，但占空比不同。在实验中发现，利用Cvgnal公司的C8051F系列单片机可以方便地产生此种软开关用的、多路占空比不等的移相PWM脉冲。

1 C805lF系列单片机可编程计数器阵列PCA简介
    图1为PCA原理框图，以C8051F040为例，PCA包含1个专用的16位计数器／定时器和6个16位捕捉／比较模块。从图1中可见，16位PCA专用计数器／定时器的时基信号可有多种选择，可通过配置相关的系统控制器的特殊功能寄存器(SFR)来实现。每个捕捉／比较模块有自己的I／O线CEXn，可通过配制交叉开关寄存器(XBR。)将每个模块的I／O线连接到端口I／0；每个模块都可配制为独立工作，有4种工作方式：边沿触发捕捉方式、软件定时器比较方式、高速输出和脉宽调制器。本文中产生多路占空比不等的移相PWM是使用了捕捉／比较模块的高速输出工作方式，其原理如图2所示。

    PCAOL和PCAOH分别为系统16位PCA计数器／定时器的低8位和高8位，PCAOCPLn和PCAOCPHn分别为捕捉／比较模块寄存器低8位和高8位。在高速输出方式下，配制模块工作方式的寄存器PCA0CPM值如图2中所示。当系统PCA计数器／定时器与模块寄存器值发生匹配时，模块的CEXn引脚上的逻辑电平将发生变化，如果将相应模块的I／0线CEXn连接到端口I／0，单片机相应端口输出电平即发生变化，这就可实现PWM脉冲的高、低电平输出。每个模块的工作是单独进行的，需要的CPU干预较少，这就可同时输出多路PWM。

    控制寄存器PCAOCN中，CF是当PCA计数器／定时器溢出时，由硬件置位，如CF中断被允许则此时CPU转向CF中断服务程序，该位只能由软件清零。CR置1是允许PCA计数器／定时器工作，置O是禁止。CCF0～CCF5是模块捕捉比较标志，当匹配发生时，该位由硬件置位，如CCF中断被允许则此时CPU转向相应CCF中断服务程序，该位只能由软件清零。

    可见要产生多路移相PWM，可允许多个捕捉／比较模块同时工作，当发生匹配即电平转换时，允许CPU转向CCF中断服务程序，在中断服务程序中，将相应的数值偏移量与寄存器PCAOCPLn和PCAOCPHn值相加，这一数值偏移量便决定了下一次匹配的时间，PWM的高、低电平脉宽便由各自相应的数值偏移量决定。

2 软件系统设计及编程语言的选择

    系统主程序框图如图3所示。

    在针对具体电路应用时，须加入主开关管PWM触发脉冲调节子程序，根据输出电压采样反馈来调节其占空比以保证输出电压稳定。在选择编程语言时，同时用C51和汇编语言来产生2路移相PWM，并作了比较。比较如下：设定开关频率为20kHz，主开关管触发脉冲占空比为50％，辅助管为20％并滞后于主开关管2lμs开通。进入CCF中断服务程序后，CPU进行捕捉／比较模块寄存器偏移量计算时，以模块0计算主开关管高电压脉宽偏移量为例，C51语句为：
    tempI=(PCA0CPH0《8)lPCA0CPLO；／／取寄存器当前值
    temp1+=0x0271： ／／上升沿，加上高电压脉宽
    PCA0CPLO=(0Xff&(temp1)；
    PCAOCPH0=[0xff&(temp》8)]；／／计算结果返回寄存器

    编译后的语句执行过程为：
    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／／以上取害存器当前值，并加上高电压脉宽计算
    MOV     OCH,A
    MOV     A,0DH
    MOV     FBH,A
    M0V     A,OCH
    MOV     FCH，A／／计算结果返回寄存器

    直接使用汇编语言实现相同功能时，汇编语句为
    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

    编译后的语句执行过程为
    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

    通过比较中断服务程序处理过程可见，C51的执行过程中有些地址只是作为数据存取的中转，另外，还有大量的堆栈操作未在文中给出，这增加了CPU处理CCF中断的时钟周期，如果几个中断优先级相同的CCF中断发生的时间间隔过短，就会造成程序跑飞。使用汇编语言编程，在单片机时钟频率为24．5MHz时，其中断服务程序最少用时约为35个时钟周期，而C51用时大概为其2倍。因此，用汇编语言编程可实现的PWM频率和移相范围都要高于C5l。

3 实验结果
    1)针对主、辅开关管均实现软开关的新型Boost ZCT—PWM电路[图4(a)]需要的两路移相PWM触发脉冲，用C8051单片机产生了所需触发脉冲[图4(b)]，并对此Boost电路作了实验。单片机端口J／0为低电平有效，故图4(b)所示是经非门反相后的信号。实验电路参数：Vin=24V,Vo=48V，输出功率100W，Lf=5mH，L1=4μH，La=6μH，Ca=1μF，Cf200μF。实验结果如图5所示。

    从图5实验结果可见，主、辅开关管均实现了零电流开通和关断，表明单片机产生的移相PWM触发脉冲能保证电路实现预期的全软开关效果。

    2)专用移相控制芯片如UC3879，在软开关全桥PWM变换器(如图6所示)中有很广泛的应用。本实验实现单片机输出4路PWM脉冲，频率为50kHz，每路占空比为40％，同一桥臂开关管死区时间设定为2μs，桥臂S1、S4为一组，S2、S3为一组，实验结果如图7所示。

    从以上实验结果可见，所产生的PWM脉冲波形频率和相移精确度高，波形理想。

4 结语
    通过C805l单片机的可编程计数器列阵PCA产生移相PWM脉冲，可根据实际应用所需产生相应脉冲路数，频率高，移相范围广，精确可靠，可应用于多种软开关实验或者实际电路中。