理解PWM分辨率 - 资深工程师关于数字电源转换的方案介绍

　　理解PWM分辨率

　　电源设计人员和客户必须正确地理解“PWM分辨率”这个术语。PWM分辨率并不表示某个计数器有多宽，而是表示在PWM循环时期内可以发生多少次计数 （尽可能最小的PWM时间片）。在电源行业，PWM分辨率表示的是PWM占空比内的最小时间增量。这个分辨率经常以ns表示。如果一个PWM模块没有足够的分辨率，控制系统（硬件或软件）就会使PWM输出发生抖动，以实现期望的平均值输出。在电源应用中，PWM抖动可以引起纹波电流的问题，并使控制进入所谓“极限循环期（Limit Cycling）”的不良运行模式。

　　例如，假设控制环路的输出需要3.25的值，而PWM可以输出的值是3和4。在这种情况下，PWM 在33343334值之间抖动。这可以容易地看到——许多DSC都采用运行于40至150 MHz范围之间的PWM计数器，可以产生6至25ns的PWM分辨率。SMPS dsPIC DSC系列具有1ns的占空比分辨率。在一个控制环路中，在PWM输出一个新的占空比值之前，来自电压和电流测量的采集时间被称为“延迟”。当延迟下降时，控制环路变得更稳定和更具有响应能力。一些DSC配备了PWM模块，只在PWM周期到周期的基础上接收新的占空比数据。在PWM模块接收数据之前，软件计算新的占空比值的时间滞后会增加控制环路延迟，并使其稳定性下降。因此，最好采用有PWM模块的DSC，以便及时接收和处理新的占空比数据。

　　SMPS ADC的需求

　　您可以将您的模拟知识运用于采用DSC的智能电源设计。片上ADC可以为控制环路提供系统状态（反馈）。传统的ADC是基于ADC值以“组”的方式进行采集和处理的假设而设计的。音频处理和工业控制系统的ADC通常都是以这种方式发挥作用。组采样可使处理器工作量达到组中的峰值，这将增加控制环路的延迟。

　　在SMPS电路中，通常不存在要被采样和转换的模拟信号，或者这样的信号不会在任何时候都那么明显。这样的信号可能在PWM周期的某一刻才比较明显。因此，由于不精确的采样定时，标准的ADC模块可能错过希望得到的数据。

　　图3给出了一个用于监测电流的电流检测电阻器的实例电路。在这个电路中，只有当晶体管导通时，才能检测到电流。典型的ADC模块不能精确地使采样保持电路在适当的时间进行一次采样。如果应用需要多个电路进行检测，那么这个ADC就不理想。SMPS dsPIC DSC的片上ADC模块可提供独立的采样保持电路，可以进行彼此独立的采样。因此，它可以在准确的时刻监控电压或电流，有助于实现事件瞬时（event transitory）信号的采样，并降低系统成本。此外，SMPS dsPIC器件的片上ADC可以进行异步采样，有助于支持PFC（70 kHz）和DC/DC（250 kHz）等不同频率的多控制环路运行。

　　

　　图3 带有具体采样保持（S/H）功能的ADC的重要意义

　　模拟比较器改进数字SMPS设计

　　因为ADC不能继续不断地监控信号，所以只能以高达每秒兆次采样（MSPS）的量级进行采样。一些DSC具有模拟比较器，可以解放处理器和ADC以完成其他重要的任务。例如，模拟比较器可以利用与传统线性电源控制器直接控制PWM占空比类似的方式进行电流控制。模拟比较器还能够提供对过压或过流状况的独立监测。Microchip的SMPS dsPIC DSC的参考DAC和模拟比较器可以实现从电流测量到PWM更新的大约25ns的延迟。通常，从检测到模拟电压，直到由比较器对PWM输出进行修改，大约需要25ns的时间。与其他必须使用“轮询”技术的ADC以及利用处理器修改PWM输出来响应变化条件的其他DSC相比，这个响应时间是非常迅速的。事实上，这正是DSC实现逐周期电流限制的方法，属于电流模式控制。由于连接模拟比较器的参考DAC也是16位的，PWM分辨率也是相同的，因此同样的控制分辨率对电压和电流模式都是有效的。