隨著新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展的推動(dòng)，不斷涌現(xiàn)出各種數(shù)字電源的應(yīng)用需求，汽車車載無(wú)線充電應(yīng)用及車載充電器OBC是近來(lái)其中兩個(gè)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(gè)領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛。

如下圖1是一個(gè)單核dsPIC33CK系列（雙核為dsPIC33CH系列芯片）芯片的大致資源的說(shuō)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(lái)說(shuō)，最大可以提供多達(dá)8組，共16個(gè)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。

圖1 dsPIC33CK系列大致資源說(shuō)明

這個(gè)PWM模塊內(nèi)部具有實(shí)現(xiàn)高精度模式的設(shè)計(jì)，當(dāng)使能高精度PWM模式時(shí)，就可以讓PWM模塊大大提高參數(shù)的調(diào)整步長(zhǎng)，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(shí)最高250pS的分辨率更好的體現(xiàn)數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì),比如精確的進(jìn)行占空比的調(diào)整。用戶在使用時(shí)，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(lái)實(shí)現(xiàn)(x代表1-8，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)PWM產(chǎn)生器)。

圖2 PWM高精度模式的使能

當(dāng)讀規(guī)格書時(shí)，細(xì)心的朋友會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于PWM高精度位使能，Microchip是規(guī)定了一些限制條件的。比如，如下圖3在寄存器說(shuō)明時(shí)，通過小字體注釋對(duì)HREN位的一個(gè)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。

圖3 PWM高精度模式的要求

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(jì)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(shuō)明。

作為一個(gè)數(shù)字外設(shè)，其運(yùn)行需要一定的時(shí)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(shí)鐘的分配方式。

圖4 PWM模塊的時(shí)鐘選擇及分配

如圖4，是PWM模塊的時(shí)鐘產(chǎn)生框圖，除了給PWM模塊一個(gè)整體的master時(shí)鐘選擇（即上圖中的MCLKSEL對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)）之外，用戶可以對(duì)每一個(gè)PWM子模塊設(shè)置不同的獨(dú)立的時(shí)鐘源（即PGx_clk），這個(gè)時(shí)鐘源可以和總的PWM時(shí)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(duì)PWM高精度模式做了一些說(shuō)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(shí)，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(shí)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(shí)鐘源。這是文檔中對(duì)高精度PWM模式時(shí)鐘源的 “定性限制“。

圖5 PWM高精度模式的時(shí)鐘分配限制條件

其次，對(duì)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。

圖6 PWM時(shí)鐘源的定量參數(shù)描述

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(shí)，這個(gè)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(cè)試都是基于這個(gè)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(gè) “定量限制” 的信息。

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

圖7 PWM高精度模式的寄存器使能

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(shí)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(shuō)明），詳情參考如下鏈接的前述文章。

基于MCC配置dsPIC33C芯片的時(shí)鐘及輸出系統(tǒng)時(shí)鐘FOSC波形

圖8 PWM高精度模式的主時(shí)鐘源寄存器選擇

對(duì)應(yīng)PWM模塊（如PG1）的時(shí)鐘源選擇寄存器CLKSEL設(shè)置為01，意味著PG1的時(shí)鐘源直接選擇PWM主時(shí)鐘源。

圖9 PWM子模塊的時(shí)鐘源選擇

這樣設(shè)置后對(duì)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(shí)鐘頻率，對(duì)應(yīng)時(shí)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(duì)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?cè)诎凑諊?yán)格限制的高精度模式下實(shí)現(xiàn)的最大周期（最小頻率）。

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

圖10 PWM模塊超規(guī)格時(shí)鐘設(shè)置

對(duì)系統(tǒng)主時(shí)鐘進(jìn)行如下簡(jiǎn)單設(shè)置，按照如下周期和占空比的設(shè)置即可。

圖11 PWM超規(guī)格設(shè)置時(shí)的簡(jiǎn)單代碼配置

我們就得到了如下PWM輸出波形，PG1H的實(shí)測(cè)頻率為306k，由于此時(shí)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(shí)鐘頻率為64MHz,即分辨率約為15.6nS，計(jì)算出來(lái)的PWM頻率對(duì)應(yīng)這個(gè)PWM的實(shí)測(cè)頻率，由此得知在常溫demo測(cè)試下，PWM內(nèi)部高精度電路運(yùn)行還是正常的。

圖12 PWM高精度模式超規(guī)格運(yùn)行波形1

第三．我們對(duì)規(guī)格書“定性限制”的之外的情況進(jìn)行嘗試，啟用PWM主時(shí)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(shí)如第一步驟中一樣，將PWM模塊master時(shí)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).

圖13 PWM模塊時(shí)鐘分頻設(shè)置

實(shí)測(cè)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?cè)O(shè)置二者為互補(bǔ)輸出模式。

此時(shí)PWM開關(guān)頻率為250kHz。對(duì)此頻率進(jìn)行分析，輸入時(shí)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(shí)鐘頻率為2GHz,則對(duì)應(yīng)分辨率為500pS，根據(jù)周期PG1PER和占空比PG1DC的設(shè)置，其計(jì)算周期為4uS，對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)的250kHz，以上說(shuō)明PWM模塊內(nèi)部的8倍頻PLL在啟用PWM主時(shí)鐘分頻時(shí)在常溫demo下還是正常工作。

圖14 PWM高精度模式超規(guī)格設(shè)置及運(yùn)行波形2

以上第二和第三部分內(nèi)容分析了在PWM模塊主時(shí)鐘輸入頻率大幅降低時(shí)，及不降低PWM主時(shí)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)?？梢钥闯鰜?lái)microchip在設(shè)計(jì)這個(gè)高精度電路時(shí)的設(shè)計(jì)裕量還是比較大的，其對(duì)應(yīng)的規(guī)格書和外設(shè)參考手冊(cè)說(shuō)明也非常的嚴(yán)謹(jǐn)和保守。

由于dsPIC33C芯片在測(cè)試及驗(yàn)證高精度模式時(shí)僅僅只對(duì)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(jì)電源時(shí)并不推薦PWM模塊輸入頻率低于500MHz這個(gè)頻率，否則在各種復(fù)雜的工況下，比如高低溫等條件時(shí)會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)于PWM高精度模式電路在電源產(chǎn)品閉環(huán)設(shè)計(jì)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(shí)要將小數(shù)轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的定點(diǎn)整數(shù)。

我們簡(jiǎn)要說(shuō)明一下Q15格式（或者Q1.15）的數(shù)據(jù)，因?yàn)橛幸粋€(gè)最高位符號(hào)位，所以它可以表示正數(shù)（符號(hào)位為0），也可以表示負(fù)數(shù)（符號(hào)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(duì)應(yīng)的最大負(fù)數(shù)為，0x8000，即-1,計(jì)算時(shí)按照二進(jìn)制補(bǔ)碼去計(jì)算相應(yīng)表示的小數(shù)值，一定要注意小數(shù)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)bit14和bit15之間。

圖15 Q15格式說(shuō)明

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(kù)，只要去調(diào)用libq-omf.a中，或者libq-dsp-omf.a，同時(shí)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(gè)示例，可以很方便地理解小數(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(duì)應(yīng)的小數(shù)就是0.75，實(shí)際上二者之間是32768這個(gè)系數(shù)。

圖16 Q15格式對(duì)應(yīng)十進(jìn)制小數(shù)的轉(zhuǎn)換

在數(shù)字電源設(shè)計(jì)中，為了盡可能地利用處理器的最大字長(zhǎng)，即16位的Q15整數(shù)對(duì)應(yīng)+32767為最大字長(zhǎng)，除了采用Q15格式表示線性差分方程系數(shù)之外，還需對(duì)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(jì)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(jì)中對(duì)最大占空比的限制，這個(gè)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(shí)，最大分辨率為250pS時(shí)，對(duì)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(jì)中就不能采用Q15格式進(jìn)行計(jì)算，用戶需要對(duì)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(jì)不采用Q15的格式計(jì)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(duì)dsPIC33C系列芯片有興趣的朋友可以作為簡(jiǎn)單了解，歡迎討論。