PWM和ADC模塊是數(shù)字控制電源最重要的兩個(gè)外設(shè)模塊，這兩個(gè)模塊是相互配合工作的方式，本文重點(diǎn)討論一下，兩個(gè)外設(shè)模塊相互配合的典型問(wèn)題，電源輸出精度及占空比限制的問(wèn)題。

一.數(shù)字電源主要外設(shè)模塊及分辨率介紹

在數(shù)字電源設(shè)計(jì)中，功率電路是和模擬電源一樣的設(shè)計(jì)方式，主要的區(qū)別是環(huán)路控制變到了數(shù)字域中了，那么，數(shù)字控制首要的是需要把模擬世界的物理量，如輸出電壓，電流等通過(guò)ADC轉(zhuǎn)化到數(shù)字域反饋給控制芯片，這些反饋信號(hào)就會(huì)被芯片的數(shù)字補(bǔ)償器所處理，最簡(jiǎn)單的情況，如電壓模式控制，通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償器的計(jì)算結(jié)果去調(diào)整PWM模塊的占空比，進(jìn)而控制得到期望的輸出電壓。

PWM首要的一個(gè)功能，就是需要能夠產(chǎn)生高頻PWM信號(hào)，并且具有較高的分辨率，并且能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整占空比。

圖1 PWM模塊的時(shí)鐘系統(tǒng)

圖2 邊沿對(duì)齊模式的PWM周期計(jì)算

根據(jù)圖1和圖2，我們很容易理解PGxPER周期寄存器的計(jì)算，這個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)著PWM周期可以由多少個(gè)PWM時(shí)鐘組成，這里的PWM時(shí)鐘對(duì)應(yīng)圖1中時(shí)鐘系統(tǒng)的輸出信號(hào)PGx_clk.PWM分辨率代表著PWM信號(hào)寬度的最小改變量。在dsPIC33C中，PWM的分辨率最高可達(dá)250ps.

圖3 dsPIC33C中的ADC模塊結(jié)構(gòu)

從圖3中，我們可以看出，dsPIC33C的ADC模塊中，包含獨(dú)立內(nèi)核的ADC模塊，和共享內(nèi)核的ADC模塊，這兩種模塊在工作方式上有所不同，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)采樣時(shí)間延時(shí)來(lái)說(shuō)最重要的一些量，如電源反饋信號(hào)，會(huì)連接到獨(dú)立內(nèi)核的ADC模塊，而非關(guān)鍵信號(hào)可以連接到共享內(nèi)核ADC模塊。

同時(shí)，可以看到ADC模塊包含相應(yīng)的參考電壓選擇電路，及配置ADC內(nèi)核的時(shí)鐘的分頻電路選擇，ADC輸出的結(jié)果可以送到數(shù)字比較器，及過(guò)采樣濾波器進(jìn)行處理。

圖4 dsPIC33C的獨(dú)立內(nèi)核ADC結(jié)構(gòu)

由于開(kāi)關(guān)電源需要反饋的量都是模擬信號(hào)，所以需要ADC進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換處理才能使用，如圖4是dsPIC33C中的獨(dú)立轉(zhuǎn)換內(nèi)核的ADC模塊，這些ADC通道可以連接獨(dú)立的一個(gè)采樣信號(hào)。

圖5 dsPIC33C的共享內(nèi)核ADC結(jié)構(gòu)

共享內(nèi)核的ADC模塊，如圖5所示，其輸入電壓通道可以是多個(gè)模擬信號(hào)通道，然后按優(yōu)先級(jí)順序或者指定的順序去采樣及轉(zhuǎn)換。

在數(shù)字電源應(yīng)用中，較高的分辨率，和較高的運(yùn)行速度是選擇ADC的主要角度，ADC的分辨率表示在對(duì)應(yīng)的模擬參考電壓范圍內(nèi)，可以產(chǎn)生的離散數(shù)字值的個(gè)數(shù)，可以以ADC的位數(shù)表示，也可以由此得到ADC的每一個(gè)tick表示的電壓變化。在dsPIC33C中，如ADC的位數(shù)為12bit，供電參考電壓為3.3V,則有4096個(gè)離散數(shù)字值表示這個(gè)模擬電壓范圍，每一個(gè)tick也可以計(jì)算出是806uV。

ADC另一個(gè)重要的參數(shù)，就是采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間，就是將一個(gè)模擬量進(jìn)行采樣并且轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字值所需要的時(shí)間，通常這個(gè)速度是以每秒鐘可以采樣轉(zhuǎn)換的次數(shù)來(lái)表示，如Msps，在dsPIC33C中，ADC的采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間參數(shù)如下圖6表示，對(duì)于獨(dú)立內(nèi)核來(lái)說(shuō)，它的Throughput Rate參數(shù)是3.5Msps，那么因此可以計(jì)算得到單次轉(zhuǎn)換時(shí)間是285ns。

圖6 ADC的轉(zhuǎn)換速率參數(shù)

ADC的采樣速率對(duì)正確的復(fù)現(xiàn)采樣信號(hào)非常重要，根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率必須要大于2倍的輸入信號(hào)的帶寬或者頻率，在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，一般以10倍以上的信號(hào)頻率去作為采樣頻率，以便得到較準(zhǔn)確的采樣信號(hào)。

二．?dāng)?shù)字控制中PWM和ADC的配合

一般來(lái)說(shuō)，模擬控制對(duì)控制量如輸出電壓可以提供一個(gè)較高的控制精度，理論上，輸出電壓可以調(diào)整為任意值，僅僅受限于環(huán)路增益，及噪聲相關(guān)的因素。

在數(shù)字控制中，由于受到PWM,ADC等的數(shù)字量化影響，其產(chǎn)生一系列有限數(shù)目的離散值，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，PWM和ADC的量化對(duì)數(shù)字控制的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都非常重要。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)ADC的要求是，需要它至少滿足ADC的分辨率在輸出產(chǎn)生的電壓變換小于輸出電壓的允許變化范圍，這樣才能達(dá)到期望的輸出電壓調(diào)整率。

圖7 ADC的分辨率需求計(jì)算

圖8 ADC所需分辨率計(jì)算示例

如果希望根據(jù)所需要的輸出電壓精度，去求取一個(gè)合適的ADC分辨率位數(shù)，可以由圖7得到，注意VREF為ADC穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定輸入電壓，根據(jù)如圖8中的示例，我們可以得到，當(dāng)希望的輸出電壓精度為1%時(shí)，工作點(diǎn)設(shè)為2.6V,理論上需要7位分辨率的ADC即可(此過(guò)程大家可以自己思考，此處不詳述)。從另一個(gè)層面，也可以根據(jù)ADC的LSB去判斷是否滿足輸出電壓的精度需求。在dsPIC33C中，ADC的LSB是806uV。在如圖所示的條件下，VREF穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)為2.6V,輸出電壓控制精度為1%，輸出為12V時(shí)，則最大的ADC LSB為26mV, 這顯然是足夠的。

對(duì)于PWM來(lái)說(shuō)，在數(shù)字控制中，它產(chǎn)生一系列的離散量占空比輸出，對(duì)應(yīng)離散的輸出電壓值。假設(shè)我們期望控制的輸出電壓不屬于這些離散值的任何一個(gè)值，那么數(shù)字控制器只能讓輸出離散值占空比在兩個(gè)或者更多個(gè)不同的點(diǎn)之間來(lái)回切換，而不是向一個(gè)方向調(diào)整，如圖9所示，在數(shù)字控制中，這稱之為限制占空比，這是不建議出現(xiàn)的一個(gè)現(xiàn)象。那么，怎么避免呢？

圖9 限制占空比說(shuō)明

在實(shí)際應(yīng)用中，一般來(lái)說(shuō)，只要讓PWM模塊產(chǎn)生的占空比LSB對(duì)應(yīng)的輸出電壓變化，小于由于ADC模塊的LSB電壓對(duì)應(yīng)的輸出電壓變化即可。

另一個(gè)方面，隨著典型應(yīng)用及寬禁帶器件的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)電源的頻率越來(lái)越高，甚至達(dá)到上MHz,所以在PWM的分辨率一定的情況下，高頻下其可調(diào)整步數(shù)會(huì)減小，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，有必要在高頻應(yīng)用中提高PWM的分辨率，如在dsPIC33C中，高分辨率模式PWM精度為250ps，而PWM普通分辨率為2ns。

當(dāng)我們采用芯片dsPIC33C時(shí)，基于如下圖條件，輸入電壓400V,輸出電壓48V，頻率250k時(shí)的情況，

圖10 PWM分辨率250ps時(shí)的輸出精度計(jì)算

此時(shí)可以計(jì)算出反饋輸入電壓（等效在輸出端電壓）每一個(gè)tick為20.1mV，則輸出的精度可以計(jì)算得到，+-20m/48V=0.083%,而輸出PWM對(duì)應(yīng)的每一個(gè)tick對(duì)應(yīng)的電壓為6.25mV，所以是滿足上述分析過(guò)程，可以避免限制占空比的問(wèn)題。

圖11 數(shù)字支持的模擬反饋方式

最后，再補(bǔ)充一種情況，當(dāng)PWM的時(shí)基及上升沿由數(shù)字芯片的PWM模塊產(chǎn)生，而PWM脈沖的下降沿由模擬比較器來(lái)決定時(shí)，而此時(shí)參考電壓由DAC設(shè)定，則這種架構(gòu)下可以認(rèn)為PWM的分辨率是無(wú)限大的，因?yàn)樗蝗Q于PWM模塊的數(shù)字步長(zhǎng)，而取決于模擬比較器的特性。

總結(jié)，本文簡(jiǎn)要探討了數(shù)字控制中兩個(gè)重要的外設(shè)模塊，PWM和ADC，主要討論了其分辨率方面的特性，同時(shí)討論了一種稱之為限制占空比的現(xiàn)象及如何根據(jù)PWM和ADC的分辨率設(shè)定來(lái)避免這種現(xiàn)象。