资深工程师关于数字电源转换的方案介绍

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。

　　PID算法

　　使用PID算法，将实际与期望输出电压之间的误差进行比例、积分和微分计算，然后将这三项合起来，实现对PWM占空比的控制。PID算法可以用于采用电压和电流模式的控制环路。处理 Microchip的DSC不需要DSP技巧（见图5的代码列表），控制软件（图4）的主要"核心"是PID环路。PID软件通常很小，但是其执行速度非常快，通常每秒可以反复几十万次。这么高的反复率需要PID软件程序尽可能有效地发挥最佳性能。使用汇编程序是保证"严紧代码"的一种很好的方法。

　　PID控制环路是定期由ADC进行中断驱动，任何系统功能都能在"空闲环路"中执行，以便减少PID控制软件内不必要的工作量。诸如电压上升/下降、错误检测、前馈计算和通信支持程序功能都是空闲环路可以执行的，其他中断驱动进程的优先级都必须比PID环路低。

　　空闲环路在完成系统和外设的初始化任务之后启动。通常，空闲环路监控温度，计算"前馈"条件，并检查故障状况。SMPS软件可执行该控制算法，将ADC 中断驱动的PID环路作为其与时间关系最密切的部分。PID软件不应该使用超过可用处理器大约66%的带宽，以便计算资源的其余部分能够分配给空闲环路软件。

　　假设以30 MIPS运行PID环路（包括30条指令），执行时间大约为1μs。如果反复率是500 kHz（2μs），那么PID工作量需要消耗一半可用的处理器带宽，也就是15 MIPS。

　　用于数字式降压式转换器的PID软件的实例代码列表：

　　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

　　mov #PID_GAIN_REG_BASE， w10 ; Init pointer to PID gain register block

　　mov ADBUF1， w0 ; Read ADC to get voltage measurement

　　mov COMMANDED_VOLTAGE， w1 ; Get commanded output voltage

　　sub w1， w0， w0 ; W0 = proportional voltage error

　　mov PROPORTIONAL_ERROR， w1 ; Get previous voltage error

　　sub w0， w1， w2 ; diff error = new verr - old verr

　　mov w0， PROPORTIONAL_ERROR ; Store New Proportional Voltage Error

　　mov w0， PREINTEGRAL_TERM ; Store copy PERR as pre integral term

　　mov w2， DERIVATIVE_ERROR ; Store new Derivative Error

　　; These registers are reserved for PID calculations

　　; w6， w7 = contains data for MAC operations

　　; w8， w10 = pointers to error terms， and gain coefficients

　　SUM_PID_TERMS：

　　clr A， ［w8］+=2， w6， ［w10］+=2， w7 ; clr A， prefetch w6， w7

　　mac w6*w7， A， ［w8］+=2， w6， ［w10］+=2， w7 ; MAC proportional term and gain

　　mac w6*w7， A， ［w8］+=2， w6， ［w10］+=2， w7 ; MAC derivative term and gain

　　mac w6*w7， B， ［w8］+=2， w6， ［w10］+=2， w7 ; Update Integrator

　　add ACCA ; Add ACCB （Integrator） to ACCA

　　sftac A， -#8 ; scale accumulator （shift）

　　mov ACCAH，w0 ; Read MSW of acca （result）

　　btst ACCAU，#7 ; Check sign bit of ACCA

　　bra z， OUTPUT_PWM ; Branch if acca PWM value is positive

　　clr w0 ; Clear negative PWM values

　　OUTPUT_PWM：

　　mov w0， DC1 ; Output new duty cycle value

　　pop.s ; Restore SR， w0-w3

retfie ; Return