基于在線軟件工具的數(shù)字電源 UCD92xx 反饋環(huán)路調(diào)試指南

摘 要
基于UCD92xx 的非隔離數(shù)字電源系統(tǒng)由控制芯片和功率級(jí)芯片構(gòu)成。功率級(jí)芯片由Mosfet 驅(qū)動(dòng)和功率Mosfet組成，包括獨(dú)立的Mosfet 驅(qū)動(dòng)（如UCD7232），或者集成Mosfet 的功率級(jí)芯片（如UCD7242 和UCD74120等）。通過與UCD92xx 配套使用的在線工具Fusion Digital Power Designer 可以在線調(diào)節(jié)反饋環(huán)路，提高環(huán)路調(diào)節(jié)的效率。本文在一款基于UCD9224 和UCD74120 的數(shù)字電源板上演示如何在線調(diào)節(jié)環(huán)路。

1、引言
設(shè)計(jì)一款基于UCD92xx 的非隔離數(shù)字電源，需要首先選擇合適的控制芯片和功率級(jí)芯片。當(dāng)功率級(jí)芯片選用UCD74120 時(shí)，因其內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)器和BUCK 上下管，外圍只需增加電感和輸出電容即可。然后可以使用在線軟件工具對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)行配置和調(diào)節(jié)。

1.1 數(shù)字電源控制器UCD92xx
UCD92xx 是內(nèi)部集成ARM7 核的非隔離數(shù)字電源控制器，可以靈活的配置為多路或多相模式，以UCD9224 為例，可以配置其為雙路輸出或單路四相并聯(lián)輸出等。 圖1 是UCD9224 的內(nèi)部框圖，關(guān)鍵模塊包括：
● Fusion Power Peripheral：包含輸出電壓誤差的采集，環(huán)路補(bǔ)償及DPWM 的輸出等；
● ADC 采樣模塊：包含10 個(gè)ADC 接口，用來對(duì)外部信息（如溫度，電流）和內(nèi)部信息（溫度）進(jìn)行采集；
● Analog Comparators 模塊：包含三個(gè)模擬比較器，用來完成對(duì)過流等故障的快速保護(hù)；
● ARM-7 模塊：包含ARM-7 核，F(xiàn)lash 和晶振等；
● PMBUS 模塊：通訊接口，用來與上位機(jī)進(jìn)行通信；
● 其它：包括SRE 控制等模塊，用來控制BUCK 運(yùn)行于同步整流還是非同步整流模式；

圖 1：UCD9224 內(nèi)部框圖 圖 2：UCD74120 內(nèi)部框圖

1.2 功率級(jí)芯片UCD74120
UCD74120 是一款集成了驅(qū)動(dòng)器和BUCK 上下管的功率級(jí)芯片，最大輸出電流為25A，內(nèi)部框圖如圖2。該芯片同時(shí)具有電流檢測(cè)及上報(bào)（給UCD92xx）功能，過流保護(hù)（輸出電流的過流保護(hù)和BUCK 上管過流保護(hù)），欠壓保護(hù)，過溫保護(hù)及故障上報(bào)功能（通過FLT 管腳）等。

1.3 在線調(diào)試軟件Fusion Digital Power Designer
TI 提供與UCD92xx 配套的在線工具集：Fusion Digital Power Designer，包括offline 模式和online 模式。Offline模式用來離線配置，而online 模式可以在線對(duì)UCD92xx 配置和監(jiān)控。本文涉及的在線環(huán)路調(diào)節(jié)是使用online 模式軟件。圖3，4，5，6 顯示的即為該軟件工具的四個(gè)主要功能模塊。
● 配置：如圖3，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓幅值及過壓點(diǎn)/欠壓點(diǎn)，上電/下電斜率，輸出過流點(diǎn)等的配置；
● 設(shè)計(jì)：如圖4，由客戶選定主要功率器件及外圍元件參數(shù)，再由Fusion Digital Power Designer 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字電源環(huán)路的配置及模擬仿真；
● 監(jiān)控：如圖5，在線對(duì)輸出電流/電壓，輸入電壓等的實(shí)時(shí)監(jiān)控；
● 狀態(tài)：如圖6，記錄數(shù)字電源的各種故障，如過壓，過流，欠壓等，便于故障定位。

圖 3：在線工具的配置界面圖 4：在線工具的設(shè)計(jì)界面

圖 5：在線工具的監(jiān)控界面圖 6：在線工具的狀態(tài)界面

1.4 演示環(huán)路調(diào)試的數(shù)字電源板
本文在一款基于UCD9224 和UCD74120 的數(shù)字電源單板上實(shí)際演示環(huán)路的調(diào)試，包括對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)波形。該電源的系統(tǒng)框圖如圖7 所示，包含了四個(gè)功率級(jí)，采用交錯(cuò)并聯(lián)模式輸出。系統(tǒng)的規(guī)格為：輸入電壓12V，輸出電壓1.0V，最大輸出電流為80A。

圖 7：數(shù)字電源系統(tǒng)框圖

2、環(huán)路在線調(diào)試細(xì)則
借助于Fusion Digital Power Designer-online 在線工具可以完成環(huán)路的配置及仿真，然后根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果再微調(diào)，最終可以得到一個(gè)理想的環(huán)路配置，整個(gè)過程中無需調(diào)試硬件。

2.1 錄入功率級(jí)參數(shù)
在圖3 的設(shè)計(jì)界面中有“Edit Full Power Stage in Schematic”按鈕，點(diǎn)擊后彈出界面8。在該窗口中，用戶需要輸入實(shí)際使用的硬件參數(shù)值，包括電感（及DCR），電容，反饋電阻等。

上述輸入的這些參數(shù)用來完成整個(gè)閉環(huán)環(huán)路的模擬與仿真。因此，當(dāng)錄入的參數(shù)越是與實(shí)際參數(shù)一致，則仿真得到的環(huán)路參數(shù)也越是與實(shí)際相符。

錄入完畢后即可保存退出。

圖 8：錄入功率級(jí)參數(shù)

2.2 使用Auto Tune 功能
錄入?yún)?shù)完畢后，就可以開始進(jìn)行環(huán)路的補(bǔ)償及配置。首先可以使用Auto Tune 功能，這也是最為簡(jiǎn)單的環(huán)路配置方式。即，點(diǎn)擊“Compensation Mode”中的“Auto Tune”，此時(shí)圖9 中的中間上部區(qū)域會(huì)顯示配置后的環(huán)路參數(shù)：截止頻率19.05kHz，相位余量64.32°，增益余量15.16dB。該功能使用客戶所輸入的硬件參數(shù)，以及對(duì)相位增益的要求，來自動(dòng)配置環(huán)路補(bǔ)償。使用該功能后，F(xiàn)usion Digital Power Designer 會(huì)進(jìn)行自動(dòng)配置環(huán)路補(bǔ)償，客戶無法更改環(huán)路配置。

圖9 右側(cè)區(qū)域是基于當(dāng)前配置的環(huán)路參數(shù)模擬動(dòng)態(tài)后得到的結(jié)果。其中動(dòng)態(tài)條件是可以自行輸入的，最終的動(dòng)態(tài)紋波峰峰值在右側(cè)的上部區(qū)域有顯示。

如果對(duì)這個(gè)環(huán)路參數(shù)及模擬得到的動(dòng)態(tài)紋波峰峰值比較滿意，可以保留當(dāng)前參數(shù)。環(huán)路調(diào)節(jié)完畢。

圖 9：Auto Tune 功能

2.3 手工優(yōu)化參數(shù)配置
假如使用Auto Tune 得到的參數(shù)不理想或者想進(jìn)一步優(yōu)化，可以點(diǎn)擊“Compensation Mode”中的“Manual”，然后通過調(diào)節(jié)Linear Compensation 和Non-linear Compensation 得到一個(gè)更為理想的環(huán)路配置。

1. Linear Compensation 的調(diào)試方法
如圖10，顯示的是某次環(huán)路配置結(jié)果，沒有使能Non-linear 功能?？梢杂^察到，其截止頻率為1.27K。此時(shí)測(cè)試到的動(dòng)態(tài)波形（測(cè)試條件為：20A~40A~20A，斜率為2.5A/us）的峰峰值為159mV，超出了所要求的100mV指標(biāo)。

還可以觀察到動(dòng)態(tài)波形的恢復(fù)時(shí)間也超出了要求的范圍，這是因?yàn)檫^大的動(dòng)態(tài)紋波峰峰值導(dǎo)致了EADC 輸出飽和，其輸出值被鉗制在一個(gè)固定值（該值與AFE 的Gain 有關(guān)系），因此環(huán)路補(bǔ)償電路只能根據(jù)該飽和值（小于實(shí)際輸出值）進(jìn)行補(bǔ)償，由此帶來了較長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間。超長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間的根因是動(dòng)態(tài)紋波峰峰值過大。

圖 10：帶寬過低造成動(dòng)態(tài)響應(yīng)差

下面將對(duì)上述不太理想的環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化，措施包括調(diào)整低頻增益，第一零點(diǎn)，第二零點(diǎn)和第二極點(diǎn)。

在進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)前，需要選定調(diào)節(jié)方式。目前有三種方式可選：1）Real Zeros 模式；2）Complex Zeros 模式； 3）PID 模式。其中Real Zeros 模式最為貼近常規(guī)模擬電源的環(huán)路調(diào)節(jié)方式，下文主要針對(duì)此種方式闡述。

1） 調(diào)整低頻增益
觀察圖10 中的波特圖，功率支路的雙極點(diǎn)位于約6KHz 處，環(huán)路的兩個(gè)零點(diǎn)分別是4KHz（Fz1）和13.94KHz（Fz2），但是兩個(gè)零點(diǎn)的位置都在截止頻率的右側(cè)，因此零點(diǎn)對(duì)截止頻率的貢獻(xiàn)較小，可以嘗試增大低頻增益。
K 表示低頻增益。將K 值由原來的61.1dB 修改為72dB 后，截止頻