??????? 隨著新能源汽車市場發(fā)展的推動，不斷涌現(xiàn)出各種數(shù)字電源的應(yīng)用需求，汽車車載無線充電應(yīng)用及車載充電器OBC是近來其中兩個非常典型的應(yīng)用，基于Microchip的dsPIC33C系列芯片的數(shù)字電源在這兩個領(lǐng)域的使用越來越廣泛。

? ? ? 如下是一個單核dsPIC33CK系列（雙核為dsPIC33CH系列芯片）芯片的大致資源的說明，其中高速PWM模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源最為重要的模塊之一。以已經(jīng)量產(chǎn)的dsPIC33CK256MP50X或者dsPIC33CK256MP20X系列為例來說，最大可以提供多達(dá)8組，共16個獨(dú)立的PWM輸出通道，充分滿足各種開關(guān)電源拓?fù)涞?/span>PWM通道需求。

? ?? 這個PWM模塊內(nèi)部具有實(shí)現(xiàn)高精度模式的設(shè)計，當(dāng)使能高精度PWM模式時，就可以讓PWM模塊大大提高參數(shù)的調(diào)整步長，比如電源PWM占空比，周期，相位及死區(qū)的精度，依靠高精度時最高250pS的分辨率更好的體現(xiàn)數(shù)字電源的優(yōu)勢,比如精確的進(jìn)行占空比的調(diào)整。用戶在使用時，可以分別使能相關(guān)PWM輸出子模塊的PWM高精度模式，具體通過使能PGxCONL寄存器中的HREN位來實(shí)現(xiàn)(x代表1-8，對應(yīng)于每一個PWM產(chǎn)生器)。

? ? 當(dāng)讀規(guī)格書時，細(xì)心的朋友會發(fā)現(xiàn)對于PWM高精度位使能，Microchip是規(guī)定了一些限制條件的。比如如下在寄存器說明時，通過小字體注釋對HREN位的一個額外要求，即一定要在500M輸入頻率的條件下去使用PWM高精度模式。

? ? 在這篇文章中，我們也重點(diǎn)分析一下PWM高分辨率的使用及在電源設(shè)計中需要注意的地方。

第一，我們總結(jié)一下產(chǎn)品規(guī)格書及PWM模塊reference manual中dsPIC33CK系列PWM高精度模式的使用條件說明。

?? 作為一個數(shù)字外設(shè)，其運(yùn)行需要一定的時鐘，所以我們理解高速PWM模塊的運(yùn)行及高精度模式運(yùn)行之前，首先了解一下其時鐘的分配方式。

?? 上圖是PWM模塊的時鐘產(chǎn)生框圖，除了給PWM模塊一個整體的master時鐘選擇（即上圖中的MCLKSEL對應(yīng)的選項）之外，用戶可以對每一個PWM子模塊設(shè)置不同的獨(dú)立的時鐘源（即PGx_clk），這個時鐘源可以和總的PWM時鐘源一致，也可以是進(jìn)行分頻之后的低頻，或者通過頻率調(diào)整電路之后再給到PWM子模塊，這為設(shè)置不同范圍的PWM頻率提供了方便。

? ?? 在reference manual中也對PWM高精度模式做了一些說明，如下截圖中的注釋Note中，我們可以看到使用PWM高精度模式時，必須要將CLKSEL設(shè)置為0b01，也就是必須要直接選擇我們給PWM模塊選擇的總的master時鐘源，而不能采用頻率分頻電路或者頻率調(diào)整電路之后的時鐘源。這是文檔中對高精度PWM模式時鐘源的 “定性限制“。

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? ? 其次，對于PWM模塊，如同其它MCU的外設(shè)模塊一樣，在規(guī)格書電氣特性中有一些定量參數(shù)描述，如下可以參考。

? ?? 這里我們重點(diǎn)關(guān)注PMW模塊的輸入頻率，Microchip建議必須要在500M下實(shí)現(xiàn)高精度模式PWM,那么潛在意思是如果采用低于500M的輸入頻率時，這個高精度PWM模式就不做保證了，最多就是在±10%范圍內(nèi)變化（即最小450MHz），產(chǎn)品出廠前所有相關(guān)的PWM高精度電路的驗(yàn)證測試都是基于這個條件去進(jìn)行。這是關(guān)于PWM高精度模式運(yùn)行頻率的一個 “定量限制” 的信息。

? ? 嚴(yán)格按照這個限制，我們對PWM主時鐘頻率進(jìn)行一定的簡單分析，首先使能高精度模式，即HREN設(shè)置為1.

? ? 再通過MCLKSEL的設(shè)置選擇11，即APLL輔助鎖相環(huán)的后分頻輸出，而我們將APLL的后分頻輸出事先設(shè)置為500MHz的頻率（關(guān)于dsPIC33CK芯片的時鐘PLL及APLL的設(shè)置，由于篇幅關(guān)系我們不在本篇文章中做說明）。

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? ? ? 對應(yīng)PWM模塊（如PG1）的時鐘源選擇寄存器CLKSEL設(shè)置為01，意味著PG1的時鐘源直接選擇PWM主時鐘源。

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? ? ? 這樣設(shè)置后對應(yīng)PG1的輸入頻率就是500MHz,結(jié)合PG1內(nèi)部的高精度8倍頻PLL電路的作用，我們就得到了4G的PWM時鐘頻率，對應(yīng)時鐘周期為1/4GHz=250pS,由于我們的PWM周期PG1PER或者占空比PG1DC為16bit寄存器，在這種條件下可以實(shí)現(xiàn)的PWM周期和占空比的最大數(shù)字就是65535，即對應(yīng)的最大周期為65535*0.25nS=16.384uS.大約為61kHz左右，這也就是我們在按照嚴(yán)格限制的高精度模式下實(shí)現(xiàn)的最大周期（最小頻率）。

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? ? 第二，我們對規(guī)格書“定量限制”的之外的情況進(jìn)行嘗試，對PWM模塊輸入頻率進(jìn)行調(diào)整，觀察測試的結(jié)果。此時我們對PWM輸入頻率做一個極限的變化，將之設(shè)為8MHz,也就是說選擇系統(tǒng)時鐘FOSC作為PWM模塊的輸入頻率，即如下MCLKSEL選擇為00, 同時在時鐘鏈路上直接將內(nèi)部FRC振蕩器8M時鐘設(shè)置為FOSC.

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對系統(tǒng)主時鐘進(jìn)行如下簡單設(shè)置即可。

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按照如下周期和占空比的設(shè)置，

? ? 我們就得到了如下PWM輸出波形，PG1H的實(shí)測頻率為306k，由于此時PWM輸入頻率為8MHz,因此疊加PWM內(nèi)部的PLL的8倍頻關(guān)系，得知PWM的內(nèi)部時鐘頻率為64MHz,即分辨率約為15.6nS，計算出來的PWM頻率對應(yīng)這個PWM的實(shí)測頻率，由此得知在常溫demo測試下，PWM內(nèi)部高精度電路運(yùn)行還是正常的。

第三．我們對規(guī)格書“定性限制”的之外的情況進(jìn)行嘗試，啟用PWM主時鐘的分頻電路，如下的寄存器位，DIVSEL，此處設(shè)置為2分頻，選擇00，同時如第一步驟中一樣，將PWM模塊master時鐘設(shè)置為500MHz(這里采用MCLKSEL=0b11，且將APLL的后分頻輸出設(shè)置為500MHz).

? ? ? 實(shí)測結(jié)果我們得到了如下波形，通道1為PG1H,通道2為PG1L,代碼中我們設(shè)置二者為互補(bǔ)輸出模式。

? ?? 此時PWM開關(guān)頻率為250kHz。對此頻率進(jìn)行分析，輸入時鐘頻率500MHz,進(jìn)行分頻后輸入給PWM模塊PG1的輸入頻率為250MHz,假定PWM內(nèi)部的PLL在工作的話，實(shí)際PWM的時鐘頻率為2GHz,則對應(yīng)分辨率為500pS，根據(jù)周期PG1PER和占空比PG1DC的設(shè)置，其計算周期為4uS，對應(yīng)實(shí)測的250kHz，以上說明PWM模塊內(nèi)部的8倍頻PLL在啟用PWM主時鐘分頻時在常溫demo下還是正常工作。

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? ? 以上第二和第三部分內(nèi)容分析了在PWM模塊主時鐘輸入頻率大幅降低時，及不降低PWM主時鐘輸入頻率而啟用PWM模塊輸入頻率分頻器后的PWM模塊內(nèi)部8倍頻PLL的實(shí)際表現(xiàn)。可以看出來microchip在設(shè)計這個高精度電路時的設(shè)計裕量還是比較大的，其對應(yīng)的規(guī)格書和外設(shè)參考手冊說明也非常的嚴(yán)謹(jǐn)和保守。

? 由于dsPIC33C芯片在測試及驗(yàn)證高精度模式時僅僅只對PWM在500MHz下的性能進(jìn)行了保證，所以真正在應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計電源時并不推薦PWM模塊輸入頻率低于500MHz這個頻率，否則在各種復(fù)雜的工況下，比如高低溫等條件時會有一定的風(fēng)險。當(dāng)然如果采用的是非HREN=1的模式，那么將另當(dāng)別論。

第四，對于PWM高精度模式電路在電源產(chǎn)品閉環(huán)設(shè)計中的考慮。

? ? 首先介紹一下我們所常用的Q15格式，因?yàn)槲覀兊?/span>dsPIC33C系列芯片是基于定點(diǎn)運(yùn)算的處理器，所以要處理電源環(huán)路涉及到的線性差分方程系數(shù)等小數(shù)時要將小數(shù)轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的定點(diǎn)整數(shù)。

? ?? 我們簡要說明一下Q15格式（或者Q1.15）的數(shù)據(jù)，因?yàn)橛幸粋€最高位符號位，所以它可以表示正數(shù)（符號位為0），也可以表示負(fù)數(shù)（符號位為1），其余位數(shù)按照如下圖所示含義表示，那么就可以知道它表示的最大整數(shù)數(shù)字范圍就是0x7FFF,即0.999969482422，對應(yīng)的最大負(fù)數(shù)為，0x8000，即-1,計算時按照二進(jìn)制補(bǔ)碼去計算相應(yīng)表示的小數(shù)值，一定要注意小數(shù)點(diǎn)在對應(yīng)bit14和bit15之間。

? ? 在我們的dsPIC33系列產(chǎn)品的編譯器中包含了非常豐富的定點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫，只要去調(diào)用libq-omf.a中，或者libq-dsp-omf.a，同時在程序中包含相應(yīng)的頭文件libq.h即可使用。

? ? ? 通過如下一個示例，可以很方便的理解小數(shù)和Q15整數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，如下表格中+24576轉(zhuǎn)對應(yīng)的小數(shù)就是0.75，實(shí)際上二者之間是32768這個系數(shù)。

? ? 在數(shù)字電源設(shè)計中，為了盡可能的利用處理器的最大字長，即16位的Q15整數(shù)對應(yīng)+32767為最大字長，除了采用Q15格式表示線性差分方程系數(shù)之外，還需對它進(jìn)行一系列的縮放操作（這一部分內(nèi)容我們放在后面的話題中進(jìn)行討論）。如果采用Q15進(jìn)行線性差分方程系數(shù)的定義，那么通過調(diào)用環(huán)路計算函數(shù)2P2Z或者3P3Z產(chǎn)生的結(jié)果（周期或者占空比）也將以Q15的范圍進(jìn)行限制，即最大限制為0x7FFF,即32767，如果考慮到電源設(shè)計中對最大占空比的限制，這個值將被設(shè)置的更小。所以在500M頻率下使能PWM的高精度HREN=1的模式時，最大分辨率為250pS時，對應(yīng)最大周期為8.191uS，即122kHz，如果最大周期高于8.191uS,或者開關(guān)頻率低于122k，在閉環(huán)設(shè)計中就不能采用Q15格式進(jìn)行計算，用戶需要對環(huán)路補(bǔ)償器的運(yùn)算及線性差分方程系數(shù)定義做適當(dāng)變化。

? ?? 當(dāng)然，如果環(huán)路設(shè)計不采用Q15的格式計算，那么在HREN=1的高精度PWM模式下可以獲得61kHz的最低頻率。如果需要采用更低的開關(guān)頻率，建議將PWM設(shè)置為非高精度PWM模式，即HREN=0.

? ?? 以上是dsPIC33CK系列高速PWM模塊的一些基礎(chǔ)分析，對dsPIC33C系列芯片有興趣的朋友可以作為簡單了解，歡迎討論。

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