结合 CLC 和 NCO 实现高分辨率 PWM AN1476 作者 : 简介 Cobus Van Eeden Microchip Technology Inc. 虽然许多应用可以使用分辨率低于 8 位的 PWM, 但是有一些应用 ( 例如灯具调光 ) 由于人眼灵敏度的原因需要较高分辨率 背景 传统的 PWM 使用定时器来生成规则的开关频率 (T PWM ), 然后使用纹波计数器来确定在脉冲结束之前, 输出需要保持多少个时钟的高电平 按图 1 所示调整输出脉宽, 可生成具有 5 种可能占空比设置 (0% 25% 50% 75% 或 100%) 的 PWM 信号 图 1: 传统 PWM 通过对可能的脉宽设置数 (N) 求以 2 为底的对数, 可计算 PWM 的有效分辨率 ( 以位为单位 ) 公式 1: 分辨率 = log 2 ( N) 对于在 16 MHz 频率下运行的器件, 最小占空比调整增量为 62.5 ns( 一个系统时钟 ) 如果 PWM 配置为在 200 khz 的开关频率下 ( 开关周期为 5 μs) 运行, 则当占空比寄存器设置为 80 个时钟 (80 x 62.5 ns = 5 μs) 时, 占空比可达到 100% 这将生成略高于 6 位的有效 PWM 分辨率, 因为有 80 个步阶可选 这是由于一个开关周期包含 80 个系统时钟 了解到有 80 个可选的占空比步阶后, 可通过如下公式 ( 公式 2) 计算精确的 PWM 分辨率 : 公式 2: 对于具有 10 位占空比寄存器而在 16 MHz 时钟下运行的 PWM, 将由于 15.6 khz 开关频率的限制而开始损失分辨率 如果采用更高的 PWM 开关频率, 则在 10 位占空比寄存器中的所有步阶使用完之前, 占空比将达到 100%, 对于所有剩余的值, 输出将只会保持在 100% 占空比 此时达到的频率可通过如下公式 ( 公式 3) 计算 : 公式 3: log 2 80 = 6.32 位 ----------------- Fosc = 16 ------------------ MHz = 16 -----------------------------, 000, 000 = 15.6 khz 步阶数 1024 2 10 2013 Microchip Technology Inc. DS01476A_CN 第 1 页
在大多数 PWM 应用中,PWM 的开关频率远高于输出的变化频率 通过使用低通滤波器来对此 PWM 信号进行滤波, 可获得所需输出 滤波器本质上是计算 PWM 信号的平均值来去除 PWM 的高频开关分量, 然后将此平均值作为输出 例如, 如果构建一个开关电源, 输出电压将与占空比成正比关系 由于存在这种关系, 因此对 PWM 占空比的调整越小, 输出的变化就越小, 对输出的控制也就越精确 从控制系统的角度看, 如果能够对输出进行少量调整, 可有效降低 PWM 引入的量化增益 在控制系统中, 降低此增益对于确保系统的稳定性至关重要 设计 PWM 构造 原则上,PWM 通过组合两个参数来创建 一个是重复触发, 用于确定脉冲的频率 ( 开关周期或开关频率 ), 另一个为单脉冲发生器, 用于确定脉冲的宽度 ( 占空比 ), 如图 2 所示 图 2: PWM 构造 切换周期源 Switching Period Source 触发 Trigger Repeating 重复脉冲 Pulses = PWM 脉冲发生器 Pulse Generator 为提高有效 PWM 分辨率, 我们将使用 PIC 器件上的 NCO 外设来构建单稳态电路 ( 触发后可提供固定持续时间的单脉冲的电路 ) 我们将使用 NCO 的功能来生成一个在两个规定比例的值之间变化的信号, 从而在两个系统时钟之间产生一个平均脉宽, 如图 3 所示 PWM 信号脉宽将变化 ( 抖动 ) 一个时钟周期, 变化的比例由 NCO 配置精确决定 图 3: 基于 NCO 的 PWM 操作 DS01476A_CN 第 2 页 2013 Microchip Technology Inc.
在输出产生平均值的任何应用 ( 例如, 平均功率转移至 SMPS 或照明应用中的负载 ) 中, 脉宽的变化是完全可接受的, 因为平均脉宽可精确控制 NCO 外设本身不能生成 PWM 信号, 但我们将通过 CLC 添加一些逻辑来更改其行为, 以生成 PWM 输出 我们将使用传统 PWM 作为时钟源触发 PWM 周期来实现此操作, 并使用 NCO 来确定脉宽 可以使用任意数量的时钟源 ( 例如, 定时器甚至外部信号 ), 在一些应用中, 甚至可能需要使用外部触发信号来启动脉冲, 例如构建电源时所需的零电流检测电路 图 4 给出了该工作原理的简化框图 图 4: 基于 NCO 的 PWM 工作原理 Fosc 当开关时钟指示应产生下一个脉冲时, 使用 CLC 中的控制逻辑设置输出, 当 NCO 溢出后, 清除此输出以完成脉冲 2013 Microchip Technology Inc. DS01476A_CN 第 3 页
基于 CLC 和 NCO 的实现 基于 NCO 和 CLC 的设计实现如图 5 所示 对于此设计, NCO 置于脉冲频率模式 在此工作模式下, 当 NCO 溢出时将产生一个短脉冲 电路的工作原理如下 : 1. 触发器在时序信号的上升沿计时 这将使 Q 输出变为高电平, 并且 PWM 脉冲开始产生 2. 输出变为高电平时, 与门 U3 将此输出信号与通过 U5 馈入 NCO 时钟引脚的高速时钟结合 此时,NCO 输出为低电平, 并且 U4 不产生任何输出 3. 当 NCO 溢出时,NCO 输出变为高电平, 这会复位触发器, 将触发器的 Q 输出强制变为低电平 此时, 由于门控的两个输入中的一个为低电平, 因此 U3 处于无效状态 4. U4 用于使 NCO 恢复到稳定状态, 因为需要一个额外的时钟使 NCO 输出恢复为低电平 NCO 输出恢复为低电平之后,U4 将不再产生任何时钟输出, 系统将处于稳定状态且输出为低电平 5. 当接收到时序源的下一个上升沿时, 将从步骤 1 开始重复上述过程 NCO 溢出所需的时间将取决于上次溢出之后累加器中的余数, 以及增量寄存器 由于余数会累加, 脉冲有时会比平时短一个系统时钟 通过控制这种情况的发生频率 ( 设置增量寄存器 ), 可以准确地控制平均脉宽 图 5: 基于 CLC 和 NCO 的 PWM 实现 计算 脉宽的计算将取决于数据手册中列出的 NCO 溢出频率计算 下面的表 1 给出了在给定各种增量寄存器值的情况下, 此电路使用与 NCO 时钟输入 (F NCO ) 直接连接的 16 MHz 时钟所产生的脉宽 请注意, 对于高增量值, 寄存器的单个增量只能将脉宽更改 15 ps 公式 4: F OUT = F NCO 增量 ----------- 2 n NCO 的平均溢出频率将决定所产生的平均输出脉宽 (T PULSE ) 公式 5: T PULSE = ------------- 1 F OUT DS01476A_CN 第 4 页 2013 Microchip Technology Inc.
表 1: 不同增量寄存器值下计算出的 PWM 脉宽 增量值 NCO F OUT (Hz) 平均脉宽 (ns) 65000 991,821 1,008.246 65001 991,837 1,008.231 20000 305,176 3,276.800 20001 305,191 3,276.636 100 1,526 655,360.000 101 1,541 648,871.287 特性 需要注意的是,NCO 设计为提供对频率的线性控制 而随后对脉宽的控制不是线性的 正如从上文用于计算 T PULSE 的公式 ( 公式 5) 中所见, 脉宽将随着频率倒数 (1/x) 的变化而变化 因此, 在从 0% 到 100% 的整个占空比范围内,PWM 的有效分辨率并不是常数 对于每种占空比设置, 我们都可以计算特定点的有效分辨率, 并将其绘制在图形上 该曲线会随着开关频率的变化而有所不同, 因为脉宽的调整与开关频率无关 当 F SW = 3 khz 且时钟为 16 MHz 时, 图形如图 6 所示 图 6: 针对占空比绘制的高分辨率 PWM( 时钟 = 16 MHz,FSW = 3 khz) 23 21 19 17 15 13 11 9 7 虽然在接近 0% 占空比时可获得相当于 21 位的分辨率, 但是在 100% 占空比时分辨率会降至仅 7.5 位, 在这一点上, 传统 PWM 可以实现更高的分辨率 有趣的是, 可能与直觉相反, 我们可通过降低 NCO 输入时钟频率来提高分辨率 将此时钟降至 1 MHz 即可得到下面的结果 ( 图 7) 2013 Microchip Technology Inc. DS01476A_CN 第 5 页
图 7: 针对占空比绘制的高分辨率 PWM( 时钟 = 1 MHz,FSW = 3 khz) 21 19 17 15 13 11 9 7 当然, 如我们所见, 接近 0% 占空比时还存在限制, 即达到增量寄存器最大值并且无法再生成较窄脉冲, 但此时分辨率不会再降至 11 位以下 一种改善性能的方法是在超过 50% 占空比时将 PWM 信号反相 这样可以有效地将 50% 占空比以下的性能映射到 50% 占空比以上的区域, 同时保持较高分辨率 我们仍可以使用达到增量限制的原始曲线 这将产生下面的图形 ( 图 8), 其条件与上面的图形相同 图 8: 分辨率与占空比的关系 ( 在 50% 占空比时将信号反相 )( 时钟 = 1 MHz,FSW = 3 khz) 22 20 18 16 14 12 10 8 DS01476A_CN 第 6 页 2013 Microchip Technology Inc.
当需要使用此技术实现可能的最高开关频率和最高分辨率时, 将采用如图 9 所示的配置 此图显示了在 500 khz 开关频率下使用 16 MHz 时钟可达到的分辨率 图 9: 针对占空比绘制的高分辨率 PWM ( 在 50% 占空比时将信号反相 )( 时钟 = 16 MHz, FSW = 500 khz) 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 总结 传统的 PWM 在相对较低的开关频率下会开始损失有效分辨率 在某些应用中, 开关频率必须相当高, 并且在这些频率下需要尽可能高的 PWM 分辨率, 此时可以将 NCO 与 CLC 结合使用来产生高分辨率 PWM 系统时钟速度为 16 MHz 的传统 PWM 可实现的最小脉宽增量变化为 62.5 ns 如果可用的最快 PWM 时钟为 FOSC/4, 则最小脉宽增量变化可延长至 250 ns 在同一器件上, 使用本应用笔记所介绍的技术可以构建脉宽增量变化低至 15 ps 的 PWM 即使高分辨率不是主要需求, 此解决方案对于许多应用来说仍具吸引力, 因为它为器件的功能增加了额外的 PWM, 或者具有开启 / 关断时间恒定 而频率可变的 PWM, 这样在高效功率转换器中执行零电流开关时, 可根据需要从外部触发脉冲 2013 Microchip Technology Inc. DS01476A_CN 第 7 页
注 : DS01476A_CN 第 8 页 2013 Microchip Technology Inc.
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