was genau meinst du mit Perfomancegewinn? Im Sinne von schneller reagierenden Eingangssignalen?
Ja, hätte ich erwartet. Die Routine gibt bei jeder Periode des PWM einen Output, ohne dass man auf eine Glättung warten müsste.

Beim ATXMega lassen sich 2 16Bit Timer zu einem 32Bit Timer kaskadieren, das hab ich allerdings noch nicht gemacht, kann deswegen auch nicht sagen, ob damit dann noch PWM möglich ist, das liese sich aber herausfinden.
Das geht einfacher auch, bei jedem Zählerüberlauf inkrementiert man ein Register, das ist dann das dritte Byte. Man muss das dritte Register nicht voll machen, sonst wird es zu langsam, bei 16MHz Zählertakt bekommt man nur noch etwa 1 Hz PWM.

Den momentanen Tiefpass 2. Ordnung hab ich schon mit Spice simuliert, da kommt am Ende kein messbarer / anzeigbarer Ripple mehr raus (nicht mal im µV Bereich), irgendwie will ich nicht glauben, dass das stimmt...
Ich auch nicht. Da ist wohl irgendwo ein Fehler drin.

Das ganze ist in SMD aufgebaut (0603), hab da bis jetzt immer nur Kerkos (X7R od. X5R) verbaut, hab aber auch noch nie andere Typen in der Bauform gesehen.
Folienkos gibt es auch in SMD, z.B. auch bei Reichelt, einfach mal danach suchen. Die keramischen Typen mit "X.." sind gut für Abblockkondensatoren. Sie haben verschiedene Eigenschaften (z.B. Mikrofonie, spannungsabhängige Kapazität), die sie für andere Anwendungen weitgehend disqualifizieren. Allerdings sind die erhältlichen Kapazitäten kleiner. Falls der zweite OP im Gehäuse noch frei wäre, könnte man mit dem einen Tiefpass (Integrator) auch mit einem kleinen Kondensator aufbauen.

Die Appnote zum Sensor habe ich jetzt nicht angesehen, ich vermute dass die Welligkeit aus der PWM das Hauptproblem ist. In einer früheren Bastelei habe ich mal einen sample & hold Verstärker mit einem Analogschalter und einem kleinen Kondensator aufgebaut, das hat damals ganz brauchbar funktioniert. Die Idee ist, dass das geglättete PWM Signal vom Eingang des OP durch einen Analogschalter getrennt wird. Der Schalter wird immer nur ganz kurz durchgeschaltet und zwar immer in Phase zur PWM Spannung. Also z.B. immer bei einer Spitze des ripple. Damit kriegt man die Welligkeit ziemlich gut weg. Hinter dem Analogschalter sitzt der kleine Kondensator der nur die Spannung halten muss, bis zum nächsten Durchschalten (quasi als Analogspeicher).
Noch eine Idee: Man kreiert ein gegenphasiges Ripple ohne Gleichstromanteil des PWM Signals und addiert das zum geglätteten PWM. Ist bestimmt einfacher als der S&H Verstärker.