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助你在新的8 位嵌入式设计中减少高频开关转换器的成本 和电路板空间 作者：Silicon Labs 公司Brian Lampkin 通用8 位MCU 基于微控制器（MCU ）的嵌入式设计减少物料清单（BOM ）成本和尺寸是首要的设计考 虑之一。在带有开关转换器的 8 位 MCU 设计中实现这些设计目标的途径之一是采用高频 时钟输出驱动这些开关转换器，而不是采用传统的低频脉宽调制（PWM ）输出。这种技 术可以减少开关转换器中电感器容量大小，从而降低BOM 成本和电路板空间需求。 背景 开关转换器通常在嵌入式系统中被用于有效提升或者降低电压。这些转换器使用电感器来 存储和传递能量到系统中的负载。电感器周期性接通以便把电能换边成电感器的能量。当 电源被关断时，电感器的能量被释放到负载。这些转换器通常由PWM 信号来控制接通和 断开，并且这一信号特性能够影响转换器的输出特性。 例如，下面让我们来考虑一个升压型转换器，它是输出电压高于输入电压的开关转换器。 连续模式 通常，升压转换器运行在 “连续”模式。这意味着，转换器中电感器存储的能量在开关周 期之间并未完全释放（比如：电感器放电流未达到零）。用于确定连续模式升压变换器输 出电压的公式是相当简单的： 其中，Vo 等于输出电压，Vi 等于输入电压，D 等于占空比。在这种情况下，输出电压可 以通过简单的改变开关元件的 PWM 占空比来调整。然而，该模式有一点需要注意：电感 器必须足够大，以存储在其充电和放电循环中系统所需的能量。这意味着开关频率越慢， 电感器充电和放电的时间越长，因此需要更大容量的电感器。当然，电感器容量越大也就 越昂贵，所以一般开关转换器设计倾向于更高的开关频率而不是更低的开关频率。 然而，更高开关频率所带来的好处也有上限。当开关频率增加时，电路中开关元器件 （通 常是 MOSFET ）和电感器内的损耗也会增加，因此一旦这些损耗达到限制，那么开关频 率也就达到了上限。 一些 8 位 MCU ，例如 Silicon Labs 的C8051 和 EFM8 器件，有能力使用片内可编程计数 器阵列（PCA ）模块产生可变占空比的PWM 输出，这意味着它们能够很好的驱动运行于 连续模式下的升压转换器。然而，最大的 PWM 频率通常低至 95.7kHz （最快内部振荡器 通常为24.5MHz ，然后被256 分频后用于 8 位PWM ），按照开关转换器标准来看这是相 当慢的。这也意味着，通常用于控制连续模式下开关转换器的 8 位MCU 需要相对容量加 大、且昂贵的电感器。 可用的在线计算器能够帮助开发人员确定在连续模式下升压转换器所需的组件大小，例如 /diy-boost-calc/the-calculator 。 例如，我们假设下面的设计需求： Vin = 3V Vout = 12V Iout = 20mA 开关频率= 95.7kHz 为了在75% 占空比下运行开关转换器，我们需要147µH 的电感器。 非连续模式 连续模式的替代模式是 “非连续”模式，其中电感器电流在开关循环的放电周期中被允许 完全释放。这种方法会使输出公式复杂化： 其中，L 是电感值，Io 是输出电流，T 是开关周期（开关频率的倒数）。正如你所看到的， 该公式更复杂，同时它仍然包含占空比作为依赖项，而且它引入了额外的依赖项，甚至采 用固定占空比时，我们也能够使用它生成预期的输出。例如，所有的其它条件不变，如果 我们成比例的降低T 和电感器容量L，那么输出特性将保持不变。这意味着我们可以使用 任意的占空比，然后增加开关频率以减小电感器容量大小和成本。 此外，在这种模式下 PCA 有一有用特性：频率输出生成。在这种模式下，能够产生 50% 占空比的频率输出，在正常条件最大能够达到SYSCLK 的一半或者12.25MHz。由于之前 提及的开关损耗的因素，开关转换器通常不会运行于如此高的频率，典型的运行频率范围 在 100kHz 至4MHz 。在更合理的3.062MHz 开关频率下（24.5MHz SYSCLK 被 8 分频）， 我们能够重做之前的示例，这一次使用非连续模式，并且采用50%的固定占空比： Vin = 3V Vout = 12V Iout = 20mA 开关频率= 3.062MHz 占空比= 50% 这一次，所需要的电感器大小减小到 2.04uH ！在相同输出特性条件下，这仅是连续模式 下PWM 示例中所需电感