如何让模拟工程师实现数字电源转换

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 from Interrupt

评估板有助于设计人员测试和修改SMPS控制软件，并理解SMPS的设计原理。在这种情况下，您可以考虑使用Microchip的dsPICDEM SMPS降压型开发板——卓越的低功耗DC/DC降压式转换器来评估DSC器件和控制软件。该板可通过标准AC/DC 9V，0.75A电源获得其输入电源。板上有两个独立的降压式转换器，演示软件设置可提供高达+5V和+3.3V的输出。



图4 控制软件的结构

这个开发板的输入电压范围为8－14V DC。每个输出负载应该限制在0.75A，而输入电源可以通过同轴输入电源连接器J2或测试夹连接P1和P2提供。该板也可为+5V输出提供一个动态负载。这个负载是通过1 kHz方波信号驱动的，该信号是由输出比较模块产生的。板上动态负载使用一个FET将电阻器负载连接到转换器对地输出，实现转换器激励，以便可以测量转换器的动态行为。动态负载的使用可通过跳线模块和/或软件由用户自行选择。

用户可以选择通过跳线设置，像标准降压式转换器或同步降压式转换器那样运行开发板。所提供的软件能够以电压控制模式运行该板，也可以进行电流监控。该板也可通过转换器输出端的一个检测电阻器测量电流，而电压则被放大并送到dsPIC30F2020器件的ADC输入端。该板还可提供通过ADC输入可读取的三个备用可变电阻器。这些“电位器”可用于在原型设计中的模拟所需的信号。