AC/DC電源變換器設(shè)計工程師使用微調(diào)電位器校準(zhǔn)差模誤差和共模誤差,它們需要由操作人員在生產(chǎn)過程手工調(diào)整消除失調(diào)誤差和增益誤差。這些誤差是由于非理想元件引起的,例如,電流檢測電阻器和運算放大器。這是是一個浪費成本和浪費時間的調(diào)整過程,最后仍會留下誤差。當(dāng)機械應(yīng)力造成微調(diào)電位器的數(shù)值改變時,在工作現(xiàn)場也會出現(xiàn)誤差。新的電源控制集成電路(IC)具有通過SMBbus總線對電源進(jìn)行設(shè)置能夠完成這種調(diào)整和校準(zhǔn)的能力?,F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出自動完成這種調(diào)整過程的軟件校準(zhǔn)程序和接口硬件。本文介紹了一種軟件程序如何與ADM1041 電源控制器IC和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)一起工作來實現(xiàn)這種自動校準(zhǔn)過程。它還控制一個可在校準(zhǔn)期間按需要施加負(fù)載的開關(guān)。這樣保證了可靠性、可重復(fù)性、低成本和快速地校準(zhǔn)和調(diào)整,同時也提高了調(diào)整精度。本文還介紹了如何能夠?qū)⒃撾娫醋儞Q器設(shè)置成具有其系統(tǒng)監(jiān)視功能〔例如,過流保護(hù)(OCP)〕和故障監(jiān)視功能的完整設(shè)備。圖1示出校準(zhǔn)設(shè)備的框圖。
圖1 . 校準(zhǔn)設(shè)備框圖
共模調(diào)整
當(dāng)使用一個檢測電阻器和電流檢測放大器檢測高端電流時,必需進(jìn)行共模調(diào)整。這樣做的目的是使共用總線電壓僅隨負(fù)載電流變化,并且與負(fù)載電壓變化無關(guān)。
電流檢測調(diào)整問題對于電源至關(guān)重要。對精度突出要求是由于在一個10 mV信號的系統(tǒng)中必須消除高達(dá)40 mV的共模誤差。按照正確的順序進(jìn)行調(diào)整也很重要。首先需要進(jìn)行共模調(diào)整,以便消除后面共用總線要求的差模調(diào)整引起的誤差。
高端電流檢測需要一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)以便電流檢測放大器輸入端提供正常電壓。這種調(diào)整能夠消除外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)以及內(nèi)部電流檢測放大器引起的誤差。圖2示出一個理想的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。
圖2. 理想的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)
考慮如果圖2中有一個電阻器由于1%允許誤差對輸出端產(chǎn)生誤差的影響。在本例中,這在共用總線輸出端相應(yīng)產(chǎn)生10% 的誤差(見圖3)。產(chǎn)生這樣大的輸出誤差的原因是由于輸入信號被放大(對輸出有用的)100倍。因此任何誤差也同樣被放大。
圖3. 非理想電阻器構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)
如果四個電阻器的阻值全都不精確會使問題擴大。如果這些阻值誤差導(dǎo)致高端輸入低于低端輸入,情況會進(jìn)一步復(fù)雜化。ADM1041允許改變斜率調(diào)整的極性以處理這個問題。輸入放大器也有與自身相關(guān)的誤差。為此,ADM1041允許利用其各自的寄存器單獨地調(diào)整共模失調(diào)和斜率。 ADM1041還允許通過設(shè)置另一個寄存器來改變輸出電壓。由于使用ADM1041寄存器能改變輸出電壓,所以用戶能夠模擬在電源中可能出現(xiàn)的最大共模誤差。
在共模誤差調(diào)整期間,電源輸出是開通的,不施加負(fù)載電流。有些失調(diào)誤差是暫時引入的,會在校準(zhǔn)的最后予以消除。通過軟件設(shè)置ADM1041改變輸出電壓,以便模擬共模誤差變化。利用ADC記錄最大輸出電壓和最小輸出電壓,并且將結(jié)果反饋給軟件。軟件能夠確定斜率應(yīng)當(dāng)具有的極性。然后將共模斜率寄存器設(shè)置為一個已知的量(例如,100 LSB)。再次記錄最小電壓和最大電壓,根據(jù)這些測量結(jié)果,軟件能夠計算出消除共模誤差所需要的正確的斜率,見圖4。
調(diào)整共模誤差的步驟如下:
- 開通電源輸出,不施加負(fù)載電流。
- 為寄存器Reg 15h 設(shè)置某個失調(diào)值,例如C0h,這個VSHARE 電壓可從接地端去除。
- 設(shè)置寄存器Reg 19h使Vout = VMAX,讀出VSHARE 電壓值,結(jié)果記為 A。
- 設(shè)置寄存器Reg 19h 使Vout = VMIN,讀出VSHARE電壓值,結(jié)果記為B。
- 如果A > B,那么設(shè)置寄存器Reg 16h 極性為單極性。
- X = A-B。
- 將寄存器Reg 14h 增加100 bit(設(shè)置Reg14h = 64h)以便引入暫時失調(diào)。
- 設(shè)置寄存器Reg 19h 使Vout = VMAX,讀出VSHARE ,結(jié)果記為C。
- 設(shè)置寄存器Reg 19h 使Vout = VMIN,讀出VSHARE ,結(jié)果記為 D。
- Y = C-D。
- X 應(yīng)大于Y。如果不大于,那么Reg16h的極性設(shè)定不正確。
- 將Reg14h 增加100步長,從(A-B)到(C-D)的操作中減去誤差。
- 計算在Reg14h中一個bit 變化引起的改變,結(jié)果記為1STEP。
- 步數(shù)#_STEPS =(A-B)/1STEP。
- 將Reg 14h 設(shè)置為“#_STEPS ”。
- 共模誤差現(xiàn)在已經(jīng)被校準(zhǔn)。設(shè)置Reg15h為00h,這樣消除前面引入的失調(diào)。
- 檢驗經(jīng)過校準(zhǔn)的共模誤差。
- 設(shè)置Reg 19h使Vout = VMAX,讀出VSHARE ,結(jié)果記為E。
- 設(shè)置Reg 19h 使Vout = VMIN,讀出VSHARE ,結(jié)果記為F。
- E-F 應(yīng)等于0。
圖4 共模誤差調(diào)整圖
負(fù)載電壓調(diào)整
進(jìn)行負(fù)載電壓調(diào)整是為了使負(fù)載電壓設(shè)定為正確的值。另外,電壓檢測輸入的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)也會引起誤差,正如輸入放大器本身會引起誤差一樣。ADM1041允許調(diào)整負(fù)載電壓。在一個12 V系統(tǒng)中,控制器IC的輸出電壓分辨率可以達(dá)到12 mV(0.1%誤差)。這在240 mV(2%誤差)典型需求內(nèi)通常是很好的。精確調(diào)整負(fù)載電壓使電流共用系統(tǒng)更為平衡。這會提高產(chǎn)品在 電流共用和熱平衡方面的可靠性。利用這種調(diào)整,還可以有意在輸出電壓中引入一個偏移量,以補償線路損失。
軟件首先設(shè)置負(fù)載電壓的零衰減。通過ADC,先測量負(fù)載電壓,然后對ADM1041設(shè)置一些衰減(例如,50 LSB)。(用50 LSB代替1 LSB可以達(dá)到更精確的結(jié)果,因為測量的是平均值)。利用ADC再次測量新的負(fù)載電壓。根據(jù)這兩次測量結(jié)果,軟件能夠準(zhǔn)確地計算出一個LSB產(chǎn)生的衰減量。因而可以計算出達(dá)到要求的負(fù)載電壓所需要的衰減量。對ADM1041設(shè)置這個衰減值。因此在電源輸出端就會得到正確的負(fù)載電壓。
負(fù)載電壓調(diào)整的步驟如下:
- 接通電源輸出,施加一半的負(fù)載電流。
- 將寄存器Reg 19h 設(shè)置為00h,讀出Vout,結(jié)果記為A。
- 將Reg19h步長增加為100。Reg19設(shè)置為64h,讀出Vout,結(jié)果記為B。
- (A –B)就以100步長負(fù)載電壓的變化量。
- 單步長ONE_STEP =(A –B)/ 100,這是一個步長負(fù)載電壓的變化量。
- 計算設(shè)置Reg19h的步長數(shù)NUM_STEPS以得到正確輸出電壓,公式NUM_STEPS =(A – Vdesired)/ ONE_STEP。
- 將Reg19h 設(shè)置為NUM_STEPS。
- 輸出電壓現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)被設(shè)置為正確的值。
差模調(diào)整(共用總線調(diào)整)
進(jìn)行差模調(diào)整是為了使共用總線電壓對于給定的負(fù)載電流達(dá)到準(zhǔn)確。如果檢測電阻不精確,就會造成誤差。應(yīng)該將這些誤差消除。通過前面進(jìn)行的共模調(diào)整,共模誤差已經(jīng)消除。共用總線指標(biāo)還隨著設(shè)計的不同而變化。通過寄存器能夠校準(zhǔn)共用總線意味著相同的電路可用于不同的共用總線,而且只需改變寄存器內(nèi)容。使用外部運算放大器的共用總線,電壓范圍大于5 V,也可以用這種方法進(jìn)行調(diào)整。和共模調(diào)整的情況一樣,差模調(diào)整也通過一個獨立的寄存器對共用總線失調(diào)和斜率進(jìn)行獨立調(diào)整。校準(zhǔn)期間需要施加和撤去負(fù)載,可以使用一個能在SM總線上通訊的開關(guān)(例如,ADG715)根據(jù)需要來施加或撤去負(fù)載。
在調(diào)整過程開始之前,軟件需要知道系統(tǒng)的某些指標(biāo)。它要請求無負(fù)載和滿負(fù)載共用總線電壓指標(biāo)。開通電源輸出,不施加負(fù)載。第一步是設(shè)定無負(fù)載共用總線電壓。ADM1041上有一個專用于此的寄存器。這樣,當(dāng)共用總線失調(diào)寄存器變化1 LSB時,軟件就利用ADC 測量共用總線電壓的變化。根據(jù)測量結(jié)果,軟件計算出將共用總線無負(fù)載電壓調(diào)整為要求值所需要的LSB數(shù),然后將其設(shè)置到共用總線失調(diào)寄存器。
下一步是校準(zhǔn)滿負(fù)載共用總線電壓。此時,軟件與連接滿負(fù)載與電源的開關(guān)通訊。共用總線電壓由ADC測量,結(jié)果送回軟件。ADM1041的共用斜率寄存器增加一個設(shè)定的LSB數(shù)(例如,20)。再次由ADC測量共用總線電壓,結(jié)果送回軟件。根據(jù)這兩個測量結(jié)果,軟件計算出將共用總線滿負(fù)載電壓調(diào)整到要求值所需要的LSB數(shù),然后將其設(shè)置到共用總線斜率寄存器,見圖5。
在這一點上經(jīng)常需要作進(jìn)一步的調(diào)整。引入斜率會稍微影響失調(diào)值。因此,無負(fù)載總線電壓可能會發(fā)生變化。軟件可以通過重新將失調(diào)設(shè)置為要求值以及再次重新調(diào)整斜率來對其進(jìn)行補償。
共用總線可調(diào)整到許多其它指標(biāo)。許多電源指標(biāo)是針對于微小負(fù)載(例如,10%負(fù)載)而不是無負(fù)載。用戶以連接微小負(fù)載代替無負(fù)載時,可用相同的開關(guān)配置實現(xiàn)這種調(diào)整。
差模調(diào)整的步驟如下:
- 接通電源輸出,不施加負(fù)載電流。
- 設(shè)置Reg 05h為00h,讀出Vshro電壓,結(jié)果記為A。
- 將Reg 05h增加到01h,讀出Vshro電壓,結(jié)果記為 B。
- 單步長ONE_STEP =(A –B)。
- 步長數(shù)NUM_STEPS =(VSHRO_MIN - A)/ ONE_STEP。
- 設(shè)置Reg05h為NUM_STEPS。
- 施加滿負(fù)載電流,讀出Vshro,結(jié)果記為C。
- 將Reg06增加20步長,讀出Vshro,結(jié)果記為D。
- ONE_STEP =(C- D)/20。
- NUM_STEPS =(VSHRO_MAX –C)/ ONE_STEP。
- 將Reg06h設(shè)置為NUM_STEPS,Vshro現(xiàn)在應(yīng)等于VSHRO_MAX。
- 差模調(diào)整結(jié)束。
圖5. 共用總線差模調(diào)整
其它調(diào)整和結(jié)束程序
通過校準(zhǔn)軟件還可以調(diào)整和同時設(shè)置過壓保護(hù)(OVP),過流保護(hù)(OCP)和欠壓保護(hù)(UVP)指標(biāo)值。軟件利用這種能力上下調(diào)整輸出電壓,以設(shè)置OVP和UVP 跳變點。這些也都可以通過它們自己專用的寄存器獨立設(shè)定。
調(diào)整一旦結(jié)束,軟件能夠?qū)⑺姓{(diào)整內(nèi)容寫入片內(nèi)EEPROM。這些寄存器還可鎖定,以使其內(nèi)容不能在現(xiàn)場或者被最終用戶改變。這樣進(jìn)一步提高了安全程度?,F(xiàn)在,已經(jīng)全部完成對電源校準(zhǔn)和調(diào)整,將來會在每次上電時使用這些數(shù)據(jù)??梢栽谏a(chǎn)環(huán)境中添加一個傳感器以識別出現(xiàn)新的電源。這樣作為觸發(fā)器為生產(chǎn)線下一個電源重啟整個程序。該程序可在自動測試設(shè)備(ATE)環(huán)境中執(zhí)行。
結(jié)論
現(xiàn)在,我們可以對AC/DC 電源變換器進(jìn)行完全自動的調(diào)整和校準(zhǔn)。這種自動調(diào)整和校準(zhǔn)方法提高了速度、降低了成本、增強了可靠并且提高了精度。