浅谈数字电源中硬件比较器功能及重要特性

硬件比较器在数字电源应用中具有非常重要的作用，本文梳理一下dsPIC33C中其基本功能及特性。首先，它是带有斜率补偿的DAC模块的高速模拟比较器，当用CPU 和 ADC捕捉一些信号很难满足系统时效时，可以将它用于监控电源转换应用中的关键信号如电压、电流和其他关键信号。每个高速模拟比较器模块都是由高速比较器、脉冲密度调制 (PDM) DAC模块和斜率补偿单元组成。DAC/比较器模块的实例数量取决于器件，请参阅特定于器件的数据表以了解可用性。比较器模块可用于实现峰值电流模式控制、临界导通模式（变频），和滞环控制的电源控制系统。有一点需要注意的是DACOUT1 这个引脚在任何情况下都只能输出单个DAC ，如果使能了多个 DACOEN 位，则DACOUT1引脚将是多个信号的组合。接下来我们看一下比较器的组成部分包括哪些？具有斜率补偿 DAC 的高速模拟比较器由以下部分组成主要特征：• 轨到轨模拟比较器• 每个比较器最多有五个可选输入源：最多四个外部输入来自 PGA 模块的多达三个内部输入• 可编程比较器滞环• 可编程输出极性• 中断产生能力每个比较器都有专用的脉冲密度调制 (PDM) 数模转换器 (DAC) ：- 具有12位分辨率多模多极 RC 输出滤波器：-----注意这个滤波器属于DAC模块部分。-过渡模式：提供最快的响应-快速模式：用于跟踪 DAC 斜率- 稳态模式：提供 12 位分辨率DAC专门支持以下模式：-斜坡生成-滞环控制 -三角波硬件比较器往往和高速PWM模块结合使用，它对高速 PWM 模块的功能支持包括：-PWM占空比控制-PWM周期控制-PWM故障检测接下来，我们简述一下各个组成部分的细节特性，具有斜率补偿 DAC 模块的高速模拟比较器由高速比较器、脉冲密度调制 (PDM) DAC 和斜率补偿单元，这三个主要单元组成。如前所述，一个器件中通常具有该模块的多个个体，具体参见器件数据手册的可用模块的数量。斜率补偿单元提供用户定义的斜率，可用于改变 DAC 输出，此功能在峰值电流模式控制等应用中非常有用，其中斜率需要补偿以维持电源的稳定性，用户指定斜率补偿的方向和变化速率，并且 DAC 的输出被修改。DAC 由一个 PDM 单元和一个后级的数控多级RC 组成。PDM 单元使用相位累加器电路，来生成脉冲输出流，这脉冲流的密度与输入数据值成正比，而这个密度是相对于累加器支持的最大位宽的。输出脉冲密度代表所需的输出电压，脉冲流通过 RC 滤波器进行滤波，产生模拟电压。DAC 的输出连接到比较器的负输入，正输入可以使用多路复用器从输入引脚或PGA输出选择。该比较器提供高速运行，典型延迟为 15ns。比较器的输出可以通过脉冲展宽器和数字滤波器块进行处理，这可以防止比较器对意外的快速瞬态信号的响应。图1显示了具有斜率补偿DAC模块的高速模拟比较器的框图， DAC 模块可以在四种模式之一下运行：斜率产生、三角波、滞环或作为普通 12 位 DAC。这些模式中的每一种都可以用于各种电源应用，例如峰值电流模式控制、临界导通模式控制和滞环控制模式。

图1 比较器内部结构从这个图上可知，所有DAC都可以通过使能其输出在DACOUT1上输出，但是需要注意任何一个时刻只能输出一个DAC信号，这个信号可以用于调试观察电路信号。框图上除了展示了正和负输入之外，还指出了比较器输出极性修改，输出滤波，输出触发中断，及对PWM模块的作用等，功能一目了然。除了原理框图，比较器有一些典型参数，在规格书的电气信息部分也有说明，如图2所示，

图2 比较器的典型规格注意这里比较器的输入时钟频率为400M-550MHz范围，典型值500MHz，比较器具有一个最大offset电压+-20mV,比较器的共模电压范围是0-AVDD电压，大信号响应时间为15ns典型值，滞环可以根据相应寄存器设置，范围在15-45mV.同时，还有一点要注意，比较器参数是表示其设计指导，但是并不会在生产中测试，可以确认的是，在芯片供电电压VDD在BOR电压最小值，和VDD电压最小值之间时，它是可以工作的，但是性能会降低，通常工厂会测试其功能，但是不会进行参数识别。同样的，比较器携带的DAC模块部分，也在规格书中有一些典型参数供参考，如图3所示，

图3 DAC模块典型参数这里我们注意一下DAC输出电压并不是从0-AVDD，而是比这个范围要小一些，其调整时间也是一个值得注意的参数，在上图测试条件下，可知为600-2000nS之间的时间。其基本的分辨率为12bit，和ADC的分辨率一致。除了DAC模块的参数特性，其DAC输出特性规格书也给出了说明，如下图4，

图4 DAC输出规格从上述说明看，DAC的输出驱动能力非常小，只有3mA，所以在使用中需要注意DAC输出时其负载有多大，且提供合适的输出负载电阻(不可小于10kohm)和负载电容（不可大于30pF）。