PWM和ADC模塊是數(shù)字控制電源最重要的兩個外設模塊，這兩個模塊是相互配合工作的方式，本文重點討論一下，兩個外設模塊相互配合的典型問題，電源輸出精度及占空比限制的問題。

一.數(shù)字電源主要外設模塊及分辨率介紹

在數(shù)字電源設計中，功率電路是和模擬電源一樣的設計方式，主要的區(qū)別是環(huán)路控制變到了數(shù)字域中了，那么，數(shù)字控制首要的是需要把模擬世界的物理量，如輸出電壓，電流等通過ADC轉化到數(shù)字域反饋給控制芯片，這些反饋信號就會被芯片的數(shù)字補償器所處理，最簡單的情況，如電壓模式控制，通過數(shù)字補償器的計算結果去調整PWM模塊的占空比，進而控制得到期望的輸出電壓。

PWM首要的一個功能，就是需要能夠產生高頻PWM信號，并且具有較高的分辨率，并且能夠動態(tài)地調整占空比。

圖1 PWM模塊的時鐘系統(tǒng)

圖2 邊沿對齊模式的PWM周期計算

根據(jù)圖1和圖2，我們很容易理解PGxPER周期寄存器的計算，這個數(shù)字對應著PWM周期可以由多少個PWM時鐘組成，這里的PWM時鐘對應圖1中時鐘系統(tǒng)的輸出信號PGx_clk.PWM分辨率代表著PWM信號寬度的最小改變量。在dsPIC33C中，PWM的分辨率最高可達250ps.

圖3 dsPIC33C中的ADC模塊結構

從圖3中，我們可以看出，dsPIC33C的ADC模塊中，包含獨立內核的ADC模塊，和共享內核的ADC模塊，這兩種模塊在工作方式上有所不同，一般來說，對采樣時間延時來說最重要的一些量，如電源反饋信號，會連接到獨立內核的ADC模塊，而非關鍵信號可以連接到共享內核ADC模塊。

同時，可以看到ADC模塊包含相應的參考電壓選擇電路，及配置ADC內核的時鐘的分頻電路選擇，ADC輸出的結果可以送到數(shù)字比較器，及過采樣濾波器進行處理。

圖4 dsPIC33C的獨立內核ADC結構

由于開關電源需要反饋的量都是模擬信號，所以需要ADC進行采樣轉換處理才能使用，如圖4是dsPIC33C中的獨立轉換內核的ADC模塊，這些ADC通道可以連接獨立的一個采樣信號。

圖5 dsPIC33C的共享內核ADC結構

共享內核的ADC模塊，如圖5所示，其輸入電壓通道可以是多個模擬信號通道，然后按優(yōu)先級順序或者指定的順序去采樣及轉換。

在數(shù)字電源應用中，較高的分辨率，和較高的運行速度是選擇ADC的主要角度，ADC的分辨率表示在對應的模擬參考電壓范圍內，可以產生的離散數(shù)字值的個數(shù)，可以以ADC的位數(shù)表示，也可以由此得到ADC的每一個tick表示的電壓變化。在dsPIC33C中，如ADC的位數(shù)為12bit，供電參考電壓為3.3V,則有4096個離散數(shù)字值表示這個模擬電壓范圍，每一個tick也可以計算出是806uV。

ADC另一個重要的參數(shù)，就是采樣和轉換時間，就是將一個模擬量進行采樣并且轉換為一個數(shù)字值所需要的時間，通常這個速度是以每秒鐘可以采樣轉換的次數(shù)來表示，如Msps，在dsPIC33C中，ADC的采樣轉換時間參數(shù)如下圖6表示，對于獨立內核來說，它的Throughput Rate參數(shù)是3.5Msps，那么因此可以計算得到單次轉換時間是285ns。

圖6 ADC的轉換速率參數(shù)

ADC的采樣速率對正確的復現(xiàn)采樣信號非常重要，根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率必須要大于2倍的輸入信號的帶寬或者頻率，在開關電源領域，一般以10倍以上的信號頻率去作為采樣頻率，以便得到較準確的采樣信號。

二．數(shù)字控制中PWM和ADC的配合

一般來說，模擬控制對控制量如輸出電壓可以提供一個較高的控制精度，理論上，輸出電壓可以調整為任意值，僅僅受限于環(huán)路增益，及噪聲相關的因素。

在數(shù)字控制中，由于受到PWM,ADC等的數(shù)字量化影響，其產生一系列有限數(shù)目的離散值，正是因為這一點，PWM和ADC的量化對數(shù)字控制的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能都非常重要。

一般來說，對ADC的要求是，需要它至少滿足ADC的分辨率在輸出產生的電壓變換小于輸出電壓的允許變化范圍，這樣才能達到期望的輸出電壓調整率。

圖7 ADC的分辨率需求計算

圖8 ADC所需分辨率計算示例

如果希望根據(jù)所需要的輸出電壓精度，去求取一個合適的ADC分辨率位數(shù)，可以由圖7得到，注意VREF為ADC穩(wěn)態(tài)工作點設定輸入電壓，根據(jù)如圖8中的示例，我們可以得到，當希望的輸出電壓精度為1%時，工作點設為2.6V,理論上需要7位分辨率的ADC即可(此過程大家可以自己思考，此處不詳述)。從另一個層面，也可以根據(jù)ADC的LSB去判斷是否滿足輸出電壓的精度需求。在dsPIC33C中，ADC的LSB是806uV。在如圖所示的條件下，VREF穩(wěn)態(tài)工作點為2.6V,輸出電壓控制精度為1%，輸出為12V時，則最大的ADC LSB為26mV, 這顯然是足夠的。

對于PWM來說，在數(shù)字控制中，它產生一系列的離散量占空比輸出，對應離散的輸出電壓值。假設我們期望控制的輸出電壓不屬于這些離散值的任何一個值，那么數(shù)字控制器只能讓輸出離散值占空比在兩個或者更多個不同的點之間來回切換，而不是向一個方向調整，如圖9所示，在數(shù)字控制中，這稱之為限制占空比，這是不建議出現(xiàn)的一個現(xiàn)象。那么，怎么避免呢？

圖9 限制占空比說明

在實際應用中，一般來說，只要讓PWM模塊產生的占空比LSB對應的輸出電壓變化，小于由于ADC模塊的LSB電壓對應的輸出電壓變化即可。

另一個方面，隨著典型應用及寬禁帶器件的應用，開關電源的頻率越來越高，甚至達到上MHz,所以在PWM的分辨率一定的情況下，高頻下其可調整步數(shù)會減小，從這個意義上來說，有必要在高頻應用中提高PWM的分辨率，如在dsPIC33C中，高分辨率模式PWM精度為250ps，而PWM普通分辨率為2ns。

當我們采用芯片dsPIC33C時，基于如下圖條件，輸入電壓400V,輸出電壓48V，頻率250k時的情況，

圖10 PWM分辨率250ps時的輸出精度計算

此時可以計算出反饋輸入電壓（等效在輸出端電壓）每一個tick為20.1mV，則輸出的精度可以計算得到，+-20m/48V=0.083%,而輸出PWM對應的每一個tick對應的電壓為6.25mV，所以是滿足上述分析過程，可以避免限制占空比的問題。

圖11 數(shù)字支持的模擬反饋方式

最后，再補充一種情況，當PWM的時基及上升沿由數(shù)字芯片的PWM模塊產生，而PWM脈沖的下降沿由模擬比較器來決定時，而此時參考電壓由DAC設定，則這種架構下可以認為PWM的分辨率是無限大的，因為它不取決于PWM模塊的數(shù)字步長，而取決于模擬比較器的特性。

總結，本文簡要探討了數(shù)字控制中兩個重要的外設模塊，PWM和ADC，主要討論了其分辨率方面的特性，同時討論了一種稱之為限制占空比的現(xiàn)象及如何根據(jù)PWM和ADC的分辨率設定來避免這種現(xiàn)象。