基于在线软件工具的数字电源UCD92xx反馈环路调试指南

挑选

基于UCD92xx的非隔离数字电源系统由控制芯片和功率芯片组成。功率级芯片由MOSFET驱动器和功率Mosfet组成，包括独立的Mosfet驱动器(如UCD7232)或集成了Mosfet的功率级芯片(如UCD7242和UCD74120)。与UCD92xx配合使用的在线工具Fusion Digital Power Designer可以在线调整反馈环路，提高环路调整效率。本文演示了如何在基于UCD9224和UCD74120的数字电源板上在线调整环路。

:31020简介

基于UCD92xx设计非隔离数字电源，首先需要选择合适的控制芯片和功率芯片。当功率芯片为UCD74120时，驱动器和BUCK上下管都集成在其中，外围只需增加电感和输出电容。然后你可以使用在线软件工具来配置和调整整个电力系统。

1.1数字电源控制器UCD92xx

UCD92xx是一款采用ARM7内核的非隔离数字功率控制器，可灵活配置为多通道或多相模式。以UCD9224为例，可配置为双通道输出或单通道四相并联输出。图1是UCD9224的内部框图。主要模块包括：

聚变电源外设：包括输出电压误差的采集、环路补偿和DPWM的输出；

ADC采样模块：包括10个ADC接口，用于采集外部信息(如温度、电流)和内部信息(温度)；

模拟比较器模块：包括三个模拟比较器，用于完成过流等故障的快速保护；

ARM-7模块：包括ARM-7内核、Flash和晶振；

PMBUS模块：通讯接口，用于与上位机通讯；

其他：包括SRE控制模块，用于控制BUCK运行在同步整流模式或异步整流模式；

图1:1:UCD 9224的内部框图图2:2:UCD 74120的内部框图

1.2电源芯片UCD74120

UCD74120是一款集成了驱动器和BUCK上下晶体管的功率芯片，最大输出电流为25A。内部框图如图2所示。芯片具有电流检测和报告(至UCD92xx)、过流保护(输出电流过流保护和BUCK上管过流保护)、欠压保护、过温保护和故障报告(通过FLT引脚)等功能。

1.3在线调试软件Fusion Digital Power Designer

TI提供了与UCD 92 xx:Fusion Digital Power Designer匹配的在线工具集，包括离线模式和在线模式。离线模式用于离线配置，在线模式可以在线配置和监控UCD92xx。本文涉及的在线回路调整是使用在线模式软件。图3、4、5和6显示了软件工具的四个主要功能模块。

配置：如图3所示，实现输出电压幅值、过压/欠压点、上电/断电斜率、输出过流点等配置。

设计：如图4所示，由客户选择主要功率器件和外围器件的参数，然后由Fusion Digital Power Designer实现数字功率回路的配置和仿真；

监控：如图5，在线实时监控输出电流/电压和输入电压；

状态：如图6所示，记录数字电源的各种故障，如过压、过流、欠压等，以便于故障定位。

图3:在线工具配置界面图4:在线工具设计界面

图5:在线工具监控界面图6:在线工具状态界面

1.4数字电源板演示回路调试

本文在基于UCD9224和UCD74120的数字电源板上实际演示了回路的调试，包括相应的实测波形。电源的系统框图如图7所示，其中包括四个交错并联模式的功率级和输出。系统的规格为：输入电压12V，输出电压1.0V，最大输出电流80A。

图7:数字电源系统框图

2、回路在线调试细则

借助在线工具Fusion Digital Power Designer-Online可以完成环路配置和仿真，然后根据测量结果进行微调，最终得到一个理想的环路配置，整个过程无需调试硬件。

2.1输入功率水平参数

在图3的设计界面中，有一个“编辑原理图中的全功率级”按钮。点击它，弹出界面8。在这个窗口中，用户需要输入实际的硬件参数，包括电感(和DCR)、电容、反馈电阻等。

这些输入参数用来完成整个闭环的仿真和模拟。因此，当输入参数与实际参数更加一致时，仿真得到的回路参数与实际更加一致。

录入完成后，可以保存并退出。

图8:输入功率水平参数

2.2使用自动调谐功能

输入参数后，可以开始回路的补偿和配置。首先，您可以使用自动调谐功能，这也是配置环路的最简单方法。即在“补偿模式”下点击“自动调谐”，配置的环路参数将显示在图9的中上区域：截止频率19.05kHz，相位裕度64.32，增益裕度15.16dB，该功能利用客户输入的硬件参数和对相位增益的要求自动配置环路补偿。使用此功能后，Fusion Digital Power Designer将自动配置环路补偿，客户无法更改环路配置。

图9的右侧区域是基于当前配置的环路参数的动态模拟结果。其中，动态条件可自行输入，动态图案的最终峰值显示在右侧上部区域。

如果您对环路参数和模拟的动态纹波峰值满意，您可以保留当前参数。回路调整完成。

图9:自动调优功能

2.3手动优化参数配置

如果使用自动调谐获得的参数不理想或想要进一步优化，您可以在“补偿模式”中单击“手动”,然后通过调整线性补偿和非线性补偿获得更理想的回路配置。

1.线性补偿的调试方法

如图10所示，显示了环路配置的结果，非线性功能未启用。可以观察到截止频率为1.27K K，此时动态波形的峰峰值(测试条件为：20A~40A~20A，斜率为2.5A/us)为159mV，超过了要求的100mV指标。

还可以观察到动态波形的恢复时间超出了要求的范围，因为动态纹波的峰值过大导致EADC输出饱和，其输出值被箝位在一个固定值(与AFE的增益有关)，所以环路补偿电路只能根据饱和值(小于实际输出值)进行补偿，带来恢复时间长。恢复时间长的根本原因是动态颗粒峰值过大。

图10:低带宽导致动态响应差。

下面将对上述不理想的回路进行优化，措施包括调整低频增益、第一零点、第二零点和第二极点。

在手动调节之前，需要选择调节模式。目前有三种选择：1)实零模式；2)复零点模型；3)PID模式。其中实零模式最接近常规模拟电源的环路调节模式，下面主要介绍。

1)调整低频增益

看图10中的波特图，功率支路的两个极点位于6KHz左右，环路的两个零点分别为4KHz(Fz1)和13.94KHz(Fz2)，但两个零点的位置都在截止频率的右侧，所以零点对截止频率的贡献很小，可以尝试提高低频增益。

k代表低频增益。将K值从61.1dB改为72dB后，截止频率变为10.41KHz，明显提高，位于两个零点之间。增益裕度和相位裕度也满足环路稳定性标准的要求。

图11:调整低频增益的实际效果

2)调整第一个零点和第二个零点。

第一个零点是4KHz，位于偶极子的左侧。即环路增益受第一个零点的影响增强后，会受两个极点的影响而减弱。因此，此时将第一个零点向右移动会降低截止频率和相位裕量。相反，截止频率和相位裕量将继续增加。例如，当第一个零点变为5Khz时，截止频率降至9.29KHz，相位裕量降至89.2。

图12:调整第一个零点的实际效果

第二个零点是14KHz，位于偶极子的右侧，接近截止频率。所以零点左移，原来截止频率的环路增益会增强，截止频率会变大。当截止频率变大并接近第二零点时，第二零点处的相位将增加，并且相位裕量将增加。例如，当第二个零点修改为11KHz时，截止频率增加到9.87KHz，相位裕量增加到94.68。

图13:调整第二个零点的实际效果

3)调整第二极

查看图13中的波特图，增益裕量对应的频率为200KHz，第一个极点的位置为119.9KHz，因此，如果想进一步增加增益裕量，可以将第一个极点向左移动。此时，增益达到200KHz后，下降幅度更大，增益裕度增大。

图14:调整第二极的实际效果

此时，低频增益、零点和极点已经调整完毕。使用电流环路参数测得的动态波形参见图15。可以看出，动态纹波的峰峰值降低到了90mV，满足了指标要求。

图15:线性补偿调整及其测量波形

2、非线性补偿的使用

非线性补偿的原理是在环路补偿环节加入非线性控制，进一步控制大信号响应。也就是说，当输入到环路的误差超过一定范围时，使用较大的增益值可以有效地降低动态波形的峰峰值，而不会影响正常工作时的环路标记。

以图16为例，当误差在Limit1和Limit2之间时，环路增益值为1.25；当超过Limit1/2但超过Limit0/3时，增益值为1.75；当限值超出0/3时，增益值为2.25。同时可以观察到，启用非线性补偿后环路的截止频率、增益裕量和相位裕量与使用非线性补偿前一致。

上面提到的Limitx中的值是指EADC的产量(没有单位的纯数值)。EADC将基准电压和输出电压之差(Vref-Vout)转换为数字化信号。因此，超过限值2/3的2/3的值表示输出电压低于基准电压，这对应于输出电流跳变的动态响应。而低于Limit1/0的值表示输出电压高于基准电压，这对应于输出电流跳变的动态响应。最终动态纹波的峰峰值降低到74mV，比没有非线性补偿时小20%左右。

图16:非线性增益调整和测量波形

2.4调试后回路参数的保存和有效性。

确定回路参数后，点击“写入硬件”按钮保存当前参数。此时会弹出一个新窗口，显示用户刚刚编辑的数据(原始)和实际写入芯片的数据(新)。二者的细微差别主要是模数转换的量化误差造成的。

图17:保存数据并生效

虽然对应于“新”的数据被写入芯片。但需要注意的是，UCD9224此时实际使用的回路参数并不是上述数据。只有当点击“激活CLA银行”按钮时，UCD9224才会使用“新建”对应的数据。

3、对应软启动阶段的回路调试

UCD92xx的环路补偿电路有两组参数，分别用于输出电压软启动阶段和输出电压正常工作阶段，给应用带来了很大的灵活性。通常软启动阶段的环路响应可以比正常运行时稍慢，以防止启动过程中出现超调等问题。

图18示出了软启动阶段中的环路配置，其类似于th

2.通过将AFE的增益改变为2X或者将非线性的中间增益改变为0.75，可以减小环路带宽；

图18:软启动阶段的环路调节

4参考文献

1.UCD9224数据表，德州仪器公司，2010年

2.UCD74120数据表，德州仪器公司，2011年

3.使用UCD92xx数字负载点控制器设计指南，德州仪器公司，2011年

4.应用笔记：数字电源UCD92xx输出电压波形的优化。

5.应用笔记：数字功率控制器UCD3138的数字比较器和模数转换器的应用说明。