數(shù)字電源控制器 UCD3138 的 Single Frame 和前饋功能說明

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關(guān)全橋(副邊采用全波同步整流)拓?fù)涞拈_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UCD3138 檢測(cè)該點(diǎn)電壓并通過軟件計(jì)算后可以得到輸入電壓?；谠撚?jì)算結(jié)果，系統(tǒng)可以判斷輸入電壓是否達(dá)到開啟點(diǎn)，以決定是否退出欠壓保護(hù)并開始正常運(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. 開關(guān)周期的設(shè)定

下面代碼設(shè)定了開關(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)置需要避開開始時(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]有完全導(dǎo)通造成輸入電壓沒能夠完全地傳輸?shù)礁边?，而第二個(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。[!--empirenews.page--]

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圖3。

圖 3: 前饋內(nèi)部處理模塊

如下圖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)過多個(gè)周期后再將占空比展開到正常大小，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 慢慢開始減小。啟動(dòng)的設(shè)置是通過下面代碼實(shí)現(xiàn)的。“OUTPUT_MULT_SEL”位用來選擇與環(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。[!--empirenews.page--]

Filter0Regs.FILTERCTRL.bit.OUTPUT_MULT_SEL =2;