資深工程師關(guān)于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的方案介紹

　　推挽式轉(zhuǎn)換器通常用于DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC電源?！岸嘞郟WM”術(shù)語描述的是多PWM輸出而不是邊沿對(duì)齊的。多相轉(zhuǎn)換器電路經(jīng)常用于必須提供大電流、負(fù)載變化可能非常迅速的應(yīng)用的DC/DC轉(zhuǎn)換器。由于PC電源的廣泛使用，相位變換PWM模式正變得越來越常見。Microchip的dsPIC DSC SMPS系列可以支持當(dāng)前廣泛用于電源行業(yè)的所有已知的PWM模式。

　　理解PWM分辨率

　　電源設(shè)計(jì)人員和客戶必須正確地理解“PWM分辨率”這個(gè)術(shù)語。PWM分辨率并不表示某個(gè)計(jì)數(shù)器有多寬，而是表示在PWM循環(huán)時(shí)期內(nèi)可以發(fā)生多少次計(jì)數(shù) （盡可能最小的PWM時(shí)間片）。在電源行業(yè)，PWM分辨率表示的是PWM占空比內(nèi)的最小時(shí)間增量。這個(gè)分辨率經(jīng)常以ns表示。如果一個(gè)PWM模塊沒有足夠的分辨率，控制系統(tǒng)（硬件或軟件）就會(huì)使PWM輸出發(fā)生抖動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)期望的平均值輸出。在電源應(yīng)用中，PWM抖動(dòng)可以引起紋波電流的問題，并使控制進(jìn)入所謂“極限循環(huán)期（Limit Cycling）”的不良運(yùn)行模式。

　　例如，假設(shè)控制環(huán)路的輸出需要3.25的值，而PWM可以輸出的值是3和4。在這種情況下，PWM 在33343334值之間抖動(dòng)。這可以容易地看到——許多DSC都采用運(yùn)行于40至150 MHz范圍之間的PWM計(jì)數(shù)器，可以產(chǎn)生6至25ns的PWM分辨率。SMPS dsPIC DSC系列具有1ns的占空比分辨率。在一個(gè)控制環(huán)路中，在PWM輸出一個(gè)新的占空比值之前，來自電壓和電流測(cè)量的采集時(shí)間被稱為“延遲”。當(dāng)延遲下降時(shí)，控制環(huán)路變得更穩(wěn)定和更具有響應(yīng)能力。一些DSC配備了PWM模塊，只在PWM周期到周期的基礎(chǔ)上接收新的占空比數(shù)據(jù)。在PWM模塊接收數(shù)據(jù)之前，軟件計(jì)算新的占空比值的時(shí)間滯后會(huì)增加控制環(huán)路延遲，并使其穩(wěn)定性下降。因此，最好采用有PWM模塊的DSC，以便及時(shí)接收和處理新的占空比數(shù)據(jù)。

　　SMPS ADC的需求

　　您可以將您的模擬知識(shí)運(yùn)用于采用DSC的智能電源設(shè)計(jì)。片上ADC可以為控制環(huán)路提供系統(tǒng)狀態(tài)（反饋）。傳統(tǒng)的ADC是基于ADC值以“組”的方式進(jìn)行采集和處理的假設(shè)而設(shè)計(jì)的。音頻處理和工業(yè)控制系統(tǒng)的ADC通常都是以這種方式發(fā)揮作用。組采樣可使處理器工作量達(dá)到組中的峰值，這將增加控制環(huán)路的延遲。

　　在SMPS電路中，通常不存在要被采樣和轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)，或者這樣的信號(hào)不會(huì)在任何時(shí)候都那么明顯。這樣的信號(hào)可能在PWM周期的某一刻才比較明顯。因此，由于不精確的采樣定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的ADC模塊可能錯(cuò)過希望得到的數(shù)據(jù)。

　　圖3給出了一個(gè)用于監(jiān)測(cè)電流的電流檢測(cè)電阻器的實(shí)例電路。在這個(gè)電路中，只有當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，才能檢測(cè)到電流。典型的ADC模塊不能精確地使采樣保持電路在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行一次采樣。如果應(yīng)用需要多個(gè)電路進(jìn)行檢測(cè)，那么這個(gè)ADC就不理想。SMPS dsPIC DSC的片上ADC模塊可提供獨(dú)立的采樣保持電路，可以進(jìn)行彼此獨(dú)立的采樣。因此，它可以在準(zhǔn)確的時(shí)刻監(jiān)控電壓或電流，有助于實(shí)現(xiàn)事件瞬時(shí)（event transitory）信號(hào)的采樣，并降低系統(tǒng)成本。此外，SMPS dsPIC器件的片上ADC可以進(jìn)行異步采樣，有助于支持PFC（70 kHz）和DC/DC（250 kHz）等不同頻率的多控制環(huán)路運(yùn)行。

　　圖3 帶有具體采樣保持（S/H）功能的ADC的重要意義

　　模擬比較器改進(jìn)數(shù)字SMPS設(shè)計(jì)

　　因?yàn)锳DC不能繼續(xù)不斷地監(jiān)控信號(hào)，所以只能以高達(dá)每秒兆次采樣（MSPS）的量級(jí)進(jìn)行采樣。一些DSC具有模擬比較器，可以解放處理器和ADC以完成其他重要的任務(wù)。例如，模擬比較器可以利用與傳統(tǒng)線性電源控制器直接控制PWM占空比類似的方式進(jìn)行電流控制。模擬比較器還能夠提供對(duì)過壓或過流狀況的獨(dú)立監(jiān)測(cè)。Microchip的SMPS dsPIC DSC的參考DAC和模擬比較器可以實(shí)現(xiàn)從電流測(cè)量到PWM更新的大約25ns的延遲。通常，從檢測(cè)到模擬電壓，直到由比較器對(duì)PWM輸出進(jìn)行修改，大約需要25ns的時(shí)間。與其他必須使用“輪詢”技術(shù)的ADC以及利用處理器修改PWM輸出來響應(yīng)變化條件的其他DSC相比，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間是非常迅速的。事實(shí)上，這正是DSC實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制的方法，屬于電流模式控制。由于連接模擬比較器的參考DAC也是16位的，PWM分辨率也是相同的，因此同樣的控制分辨率對(duì)電壓和電流模式都是有效的。　　PID算法

　　使用PID算法，將實(shí)際與期望輸出電壓之間的誤差進(jìn)行比例、積分和微分計(jì)算，然后將這三項(xiàng)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM占空比的控制。PID算法可以用于采用電壓和電流模式的控制環(huán)路。處理 Microchip的DSC不需要DSP技巧（見圖5的代碼列表），控制軟件（圖4）的主要“核心”是PID環(huán)路。PID軟件通常很小，但是其執(zhí)行速度非?？欤ǔＣ棵肟梢苑磸?fù)幾十萬次。這么高的反復(fù)率需要PID軟件程序盡可能有效地發(fā)揮最佳性能。使用匯編程序是保證“嚴(yán)緊代碼”的一種很好的方法。

　　PID控制環(huán)路是定期由ADC進(jìn)行中斷驅(qū)動(dòng)，任何系統(tǒng)功能都能在“空閑環(huán)路”中執(zhí)行，以便減少PID控制軟件內(nèi)不必要的工作量。諸如電壓上升/下降、錯(cuò)誤檢測(cè)、前饋計(jì)算和通信支持程序功能都是空閑環(huán)路可以執(zhí)行的，其他中斷驅(qū)動(dòng)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)都必須比PID環(huán)路低。

　　空閑環(huán)路在完成系統(tǒng)和外設(shè)的初始化任務(wù)之后啟動(dòng)。通常，空閑環(huán)路監(jiān)控溫度，計(jì)算“前饋”條件，并檢查故障狀況。SMPS軟件可執(zhí)行該控制算法，將ADC 中斷驅(qū)動(dòng)的PID環(huán)路作為其與時(shí)間關(guān)系最密切的部分。PID軟件不應(yīng)該使用超過可用處理器大約66%的帶寬，以便計(jì)算資源的其余部分能夠分配給空閑環(huán)路軟件。

　　假設(shè)以30 MIPS運(yùn)行PID環(huán)路（包括30條指令），執(zhí)行時(shí)間大約為1μs。如果反復(fù)率是500 kHz（2μs），那么PID工作量需要消耗一半可用的處理器帶寬，也就是15 MIPS。

　　用于數(shù)字式降壓式轉(zhuǎn)換器的PID軟件的實(shí)例代碼列表：

　　CALCULATE_PID：

　　push.s ; Save SR and W0-W3

　　bclr.b IFS0+1， #3 ; Clr IRQ flag in interrupt controller

　　#PID_REG_BASE， w8 ; Init pointer to PID register block

　　mo