資深工程師關(guān)于數字電源轉換的方案介紹

　　推挽式轉換器通常用于DC/DC轉換器和AC/DC電源?！岸嘞郟WM”術(shù)語(yǔ)描述的是多PWM輸出而不是邊沿對齊的。多相轉換器電路經(jīng)常用于必須提供大電流、負載變化可能非常迅速的應用的DC/DC轉換器。由于PC電源的廣泛使用，相位變換PWM模式正變得越來(lái)越常見(jiàn)。Microchip的dsPIC DSC SMPS系列可以支持當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

　　電源設計人員和客戶(hù)必須正確地理解“PWM分辨率”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。PWM分辨率并不表示某個(gè)計數器有多寬，而是表示在PWM循環(huán)時(shí)期內可以發(fā)生多少次計數 （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(méi)有足夠的分辨率，控制系統（硬件或軟件）就會(huì )使PWM輸出發(fā)生抖動(dòng)，以實(shí)現期望的平均值輸出。在電源應用中，PWM抖動(dòng)可以引起紋波電流的問(wèn)題，并使控制進(jìn)入所謂“極限循環(huán)期（Limit Cycling）”的不良運行模式。

　　例如，假設控制環(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都采用運行于40至150 MHz范圍之間的PWM計數器，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(lái)自電壓和電流測量的采集時(shí)間被稱(chēng)為“延遲”。當延遲下降時(shí)，控制環(huán)路變得更穩定和更具有響應能力。一些DSC配備了PWM模塊，只在PWM周期到周期的基礎上接收新的占空比數據。在PWM模塊接收數據之前，軟件計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據。

　　SMPS ADC的需求

　　您可以將您的模擬知識運用于采用DSC的智能電源設計。片上ADC可以為控制環(huán)路提供系統狀態(tài)（反饋）。傳統的ADC是基于A(yíng)DC值以“組”的方式進(jìn)行采集和處理的假設而設計的。音頻處理和工業(yè)控制系統的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換的模擬信號，或者這樣的信號不會(huì )在任何時(shí)候都那么明顯。這樣的信號可能在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)，標準的ADC模塊可能錯過(guò)希望得到的數據。

　　圖3給出了一個(gè)用于監測電流的電流檢測電阻器的實(shí)例電路。在這個(gè)電路中，只有當晶體管導通時(shí)，才能檢測到電流。典型的ADC模塊不能精確地使采樣保持電路在適當的時(shí)間進(jìn)行一次采樣。如果應用需要多個(gè)電路進(jìn)行檢測，那么這個(gè)ADC就不理想。SMPS dsPIC DSC的片上ADC模塊可提供獨立的采樣保持電路，可以進(jìn)行彼此獨立的采樣。因此，它可以在準確的時(shí)刻監控電壓或電流，有助于實(shí)現事件瞬時(shí)（event transitory）信號的采樣，并降低系統成本。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)數字SMPS設計

　　因為ADC不能繼續不斷地監控信號，所以只能以高達每秒兆次采樣（MSPS）的量級進(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線(xiàn)性電源控制器直接控制PWM占空比類(lèi)似的方式進(jìn)行電流控制。模擬比較器還能夠提供對過(guò)壓或過(guò)流狀況的獨立監測。Microchip的SMPS dsPIC DSC的參考DAC和模擬比較器可以實(shí)現從電流測量到PWM更新的大約25ns的延遲。通常，從檢測到模擬電壓，直到由比較器對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(xún)”技術(shù)的ADC以及利用處理器修改PWM輸出來(lái)響應變化條件的其他DSC相比，這個(gè)響應時(shí)間是非常迅速的。事實(shí)上，這正是DSC實(shí)現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電壓和電流模式都是有效的?！　?strong>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、積分和微分計算，然后將這三項合起來(lái)，實(shí)現對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(jiàn)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，但是其執行速度非?？?，通常每秒可以反復幾十萬(wàn)次。這么高的反復率需要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)行中斷驅動(dòng)，任何系統功能都能在“空閑環(huán)路”中執行，以便減少PID控制軟件內不必要的工作量。諸如電壓上升/下降、錯誤檢測、前饋計算和通信支持程序功能都是空閑環(huán)路可以執行的，其他中斷驅動(dòng)進(jìn)程的優(yōu)先級都必須比PID環(huán)路低。

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

　　假設以30 MIPS運行PID環(huán)路（包括30條指令），執行時(shí)間大約為1μs。如果反復率是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。

　　用于數字式降壓式轉換器的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