摘要

    UCD3138 是德州儀器(Texas Instruments)公司推出的最新一代數(shù)字電源控制器，于2012 年第一季度正式發(fā)布。相比于上一代數(shù)字電源控制器UCD30xx，其在諸多方面有著重要改進(jìn)，功能更加豐富，性能更加強(qiáng)大。本文基于一款采用硬開(kāi)關(guān)全橋（副邊采用全波同步整流）拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)電源，詳細(xì)介紹了UCD3138 的Single Frame 功能和輸入電壓前饋功能。在完成對(duì)上述功能理解地同時(shí)也可以清楚的了解到UCD3138 的優(yōu)勢(shì)所在。本文的最后部分給出了參考文獻(xiàn)。

1、Single Frame 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    Single Frame 是一種全新的在副邊完成對(duì)原邊輸入電壓檢測(cè)的方法。通過(guò)該方法可以在副邊直接快速地檢測(cè)當(dāng)前輸入電壓，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能，因此無(wú)需額外的輸入欠壓保護(hù)電路及光耦或數(shù)字隔離器。

1.1 Single Frame 功能介紹

    在電源系統(tǒng)未正式運(yùn)行前，UCD3138 芯片會(huì)周期性的發(fā)出單個(gè)或幾個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，使硬開(kāi)關(guān)全橋工作單個(gè)或者多個(gè)周期。此時(shí)，在變壓器副邊中心抽頭處可以產(chǎn)生出電壓，該電壓與輸入電壓成線性關(guān)系，因此通過(guò)UCD3138 檢測(cè)該點(diǎn)電壓并通過(guò)軟件計(jì)算后可以得到輸入電壓。基于該計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)可以判斷輸入電壓是否達(dá)到開(kāi)啟點(diǎn)，以決定是否退出欠壓保護(hù)并開(kāi)始正常運(yùn)行。

   實(shí)際應(yīng)用中，為保證全橋原邊側(cè)上管（驅(qū)動(dòng)地為浮地）可以順利導(dǎo)通，通常需要連續(xù)發(fā)送幾個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)脈沖。在本文涉及的硬開(kāi)關(guān)全橋中，實(shí)際發(fā)送了2 個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖以保證UCD3138 順利檢測(cè)到正確的輸入電壓。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

    實(shí)現(xiàn)Single Frame 功能的硬件電路比較簡(jiǎn)單，如下圖1。VIN_CT 網(wǎng)絡(luò)連接到變壓器副邊中心抽頭處，然后通過(guò)RC 濾波后連接到UCD3138 的EAP2 引腳。該電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)變壓器中心抽頭處電壓的濾波及縮放。

圖1：Single Frame 硬件電路

變壓器的匝比為5:2:2 。EAP2 處電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

1.3 軟件設(shè)計(jì)

    實(shí)現(xiàn)Single Frame 功能的軟件設(shè)計(jì)包括了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的配置和電壓采集及轉(zhuǎn)換等兩個(gè)部分，其中第一個(gè)部分是核心配置。下面著重討論第一部分。

1. 開(kāi)關(guān)周期的設(shè)定

下面代碼設(shè)定了開(kāi)關(guān)周期為5us，即200KHz。計(jì)算公式為：

#define PERIOD             (20000)

Dpwm0Regs.DPWMPRD.all = PERIOD;

2. 單脈沖長(zhǎng)度的設(shè)定

    下面代碼完成了單脈沖脈寬長(zhǎng)度的設(shè)定，包含了死區(qū)的設(shè)置。該代碼設(shè)置的時(shí)間寬度為。即一個(gè)周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈寬長(zhǎng)度皆為651ns 的脈沖。

Dpwm0Regs.DPWMEV1.all = 20;

Dpwm0Regs.DPWMEV2.all = 2625;

Dpwm0Regs.DPWMEV3.all = 20 + 10000;

Dpwm0Regs.DPWMEV4.all = 2625 + 10000;

3. 采樣時(shí)刻的設(shè)置

    考慮到在變壓器副邊中心抽頭處電壓變?yōu)楦唠妷簳r(shí)會(huì)伴隨有尖峰和震蕩，為防止采樣錯(cuò)誤，采樣點(diǎn)設(shè)置需要避開(kāi)開(kāi)始時(shí)刻。下面代碼設(shè)置了采樣點(diǎn)的位置：接近脈沖的結(jié)束時(shí)刻，為600ns 處。

Dpwm0Regs.DPWMSAMPTRIG1.all = 2400;

1.4 實(shí)測(cè)波形

   如下圖2 所示，綠色線為全橋原邊驅(qū)動(dòng)（即單脈沖）波形，其時(shí)間長(zhǎng)度約為650ns，與軟件設(shè)計(jì)一致。黃色線為變壓器副邊中心抽頭處的電壓波形，第一個(gè)波頭是因?yàn)槿珮蛟厸](méi)有完全導(dǎo)通造成輸入電壓沒(méi)能夠完全地傳輸?shù)礁边叄诙€(gè)脈沖則準(zhǔn)確地反應(yīng)了輸入電壓的信息。此時(shí)，輸入電壓為50V，黃色線的平臺(tái)為20V，與理論計(jì)算一致。

圖2：Single Frame 實(shí)測(cè)波形

2、前饋功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    前饋（feed forward）功能是UCD3138 的一個(gè)重要特性。借助于實(shí)現(xiàn)Single Frame 功能的硬件電路，UCD3138可以獲知當(dāng)前輸入電壓；當(dāng)輸入電壓有劇烈變化時(shí)，前饋功能可以快速響應(yīng)并調(diào)整占空比，以盡快穩(wěn)定輸出電壓。

2.1 前饋功能實(shí)現(xiàn)原理描述

    UCD3138 芯片內(nèi)部的前饋模塊的輸出為一個(gè)增益值，將與環(huán)路的輸出結(jié)果相乘，以共同決定占空比。前饋模塊輸出的增益由該式?jīng)Q定：Gain = Kc + Kp×ΔV 。其中：

◎Kc 為常數(shù)，通常設(shè)置在0.5~0.7 之間，以方便對(duì)占空比進(jìn)行大小兩個(gè)方向的調(diào)節(jié)；

◎Kp 為輸入電壓差值的放大倍數(shù)。該值為非線性值，即誤差越大則增益越大。誤差較小時(shí)，該值為0；

◎ΔV 為跳變之后的輸入電壓與跳變前輸入電壓的差值，即Vref(DAC)-Vin_sense。在輸入電壓跳變之后，Vref(DAC)的值會(huì)逐漸逼近新的輸入電壓，以保證該值等于最新的當(dāng)前輸入電壓。

UCD3138 芯片內(nèi)部前饋處理模塊的的示意圖見(jiàn)圖3。

圖3:前饋內(nèi)部處理模塊

    如圖4 所示，前饋模塊的輸出結(jié)果直接與環(huán)路最終的輸出相乘，然后由相乘的結(jié)果再去調(diào)整占空比大小。這就保證了前饋的結(jié)果可以快速調(diào)整當(dāng)前的占空比。

圖4：前饋輸出最終與環(huán)路輸出相乘

2.2 前饋功能的實(shí)現(xiàn)

    前饋功能的硬件設(shè)計(jì)主要包含了輸入電壓的檢測(cè)電路，在第一章曾有描述，在此不再贅述。軟件設(shè)計(jì)主要包含了Vref(DAC)值的配置、Kc 的配置和前饋功能的啟用設(shè)置。

1）Vref(DAC)值的配置

    如下函數(shù)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)v_input_error 的大小對(duì)Vref(DAC)值的更新。v_input_error 為當(dāng)前采集的輸入電壓與前一次采集到的輸入電壓的差值。該函數(shù)包含在一個(gè)狀態(tài)機(jī)中，100us 執(zhí)行一次，將連續(xù)執(zhí)行300 次，以保證在使能前饋功能之前Vref(DAC)近似等于當(dāng)前輸入電壓。

if(v_input_error > 10)

{

if(FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE > 3000) //can not lower than 35V;

{FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE = FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE - 1;}

}

else if(v_input_error < -10)

{

if(FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE < 14000) //can not higher than 80V;

{FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE = FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE + 1; }

}

    如果誤差很小，即輸入電壓已經(jīng)穩(wěn)定，則系統(tǒng)軟件準(zhǔn)備開(kāi)啟前饋功能并隨后進(jìn)入正常運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)。

if ( abs(v_input_error) < 10) //Vin error is small

{

supply_state = STATE_REGULATED;

Filter0Regs.FILTERCTRL.bit.OUTPUT_MULT_SEL =2;//Enable Feed Forward

}

2）Kc 值的配置

在輸入電壓穩(wěn)定的情況下，如果Kc 直接配置到0.5 到0.7 的某個(gè)值，則此時(shí)啟用前饋功能會(huì)影響正常環(huán)路的輸出，造成輸出電壓出現(xiàn)跌落。如下圖5 所示。

圖5：Kc 啟用不當(dāng)造成輸出有跌落

    跌落的原因是因?yàn)榇藭r(shí)環(huán)路的正常輸出被突然乘以Gain=Kc=0.5~0.7，所以占空比會(huì)立即被限制，輸出電壓出現(xiàn)跌落。直到環(huán)路經(jīng)過(guò)多個(gè)周期后再將占空比展開(kāi)到正常大小，輸出電壓才恢復(fù)到正常值。

    因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要將Kc 由1 慢慢減小到需求的值（在本文涉及的硬全橋軟件中選擇Kc 為0.7）。另，在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用Filter2 實(shí)現(xiàn)非線性增益和Kc 的設(shè)置，因此軟件配置如下。

Uint32 filter2_kc;

int filter2_kc_step = 0x200;

inline void handle_regulated_state(void)

{

filter2_kc = Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_VALUE;// It is Kc

if(Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_VALUE > 0x5A0000)

{

Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_VALUE = filter2_kc - filter2_kc_step;

Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_EN = 1;

}

}

其中，handle_regulated_state 為軟件狀態(tài)機(jī)中的一個(gè)狀態(tài)，每100us 執(zhí)行一次。通過(guò)這樣一個(gè)循環(huán)函數(shù)就可以保證Kc 是以步進(jìn)的形式由1 配置到0.7（0x5A0000/0x7FFFFF=0.7），防止了輸出電壓出現(xiàn)跌落。

3）前饋功能的啟用

    經(jīng)過(guò)上述完善的預(yù)先配置后，可以啟用前饋功能，啟用后KC 從1 慢慢開(kāi)始減小。啟動(dòng)的設(shè)置是通過(guò)下面代碼實(shí)現(xiàn)的。“OUTPUT_MULT_SEL”位用來(lái)選擇與環(huán)路輸出相乘的值，以決定最后的占空比。當(dāng)設(shè)置為2時(shí)，將選擇前饋的輸出與環(huán)路輸出相乘，即啟動(dòng)了前饋。

Filter0Regs.FILTERCTRL.bit.OUTPUT_MULT_SEL =2;

參考文獻(xiàn)

【1】 UCD3138 datasheet, Texas Instruments Inc., 2011

【2】 UCD31xx Central Interrupt Module (CIM) Programmer's Manual, Texas Instruments Inc., 2011

【3】 UCD31xx Fusion Digital Power Peripherals Programmer’s Manual, Texas Instruments Inc., 2011

【4】 UCD31xx Miscellaneous Analog Control _MAC_, Texas Instruments Inc., 2011