數(shù)字電源UCD92xx 輸出電壓波形的優(yōu)化
2013-07-12
作者：Neil Li, Sundy Xu
來(lái)源：China Telecom Application Team
1、軟啟動(dòng)原理及待優(yōu)化輸出電壓波形
數(shù)字電源UCD92xx 的軟啟動(dòng)是通過(guò)對(duì)參考電壓以步進(jìn)方式增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)過(guò)程是由芯片內(nèi)部的軟件自動(dòng)完成的。在一款基于UCD9224 和UCD74120 的單板上測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，其輸出電壓波形在軟啟動(dòng)階段有明顯的“臺(tái)階”現(xiàn)象，波形不平滑。
1.1 數(shù)字電源軟啟動(dòng)原理介紹
圖1 所示的是數(shù)字電源UCD92xx 的功率支路和控制支路?？刂浦分饕稍赨CD92xx 芯片內(nèi)部，包含誤差生成及模數(shù)轉(zhuǎn)換，環(huán)路補(bǔ)償，PWM計(jì)算及產(chǎn)生等。其中，參考電壓（VREF）電壓的設(shè)置亦包含在控制支路。
依據(jù)軟件算法，在軟啟動(dòng)階段，VREF 每100us 增加一次，直至軟啟動(dòng)完成，即輸出電壓達(dá)到最終的設(shè)定值。例如，輸出電壓設(shè)定為1.0V，軟啟動(dòng)的時(shí)間設(shè)置為4ms，則在軟啟動(dòng)階段輸出電壓每一次增加25mv，直至達(dá)到1.0V。
圖1：數(shù)字電源功率級(jí)和控制級(jí)框圖
1.2 待優(yōu)化的輸出電壓波形
圖2 所示的是輸出電壓波形，可以觀察到在軟啟動(dòng)階段輸出電壓的波形不夠平滑，有明顯的“臺(tái)階”現(xiàn)象。
該波形是在一款基于UCD9224 和UCD74120 的參考版上測(cè)得。主要測(cè)試條件為：測(cè)試環(huán)境常溫，輸入電壓為12V，輸出電壓為1.0V，輸出端帶載20A。另外，測(cè)試時(shí)，數(shù)字環(huán)路的詳細(xì)配置見(jiàn)下文2.4 節(jié)。
圖2：輸出電壓波形
1.3 輸出電壓“臺(tái)階”現(xiàn)象的初步分析
圖3 所示的是時(shí)間軸展開(kāi)后觀察到的輸出電壓波形。通過(guò)測(cè)量可知，每經(jīng)過(guò)100us 輸出電壓增加一次，增加的幅度大約為23mV，與理論計(jì)算值25mV 基本一致。
同時(shí)也可以觀察到，輸出電壓的每一次增加都是很快的完成，而不是緩慢增加。從功率級(jí)支路上分析，這是由于占空比快速增加造成。從控制級(jí)支路分析，則原因可以初步歸結(jié)為環(huán)路過(guò)快造成的。
圖3：輸出電壓的步進(jìn)幅度
2 數(shù)字電源模擬前端及環(huán)路
數(shù)字電源控制環(huán)路包含了模擬前端，數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償?shù)饶K，在配置環(huán)路時(shí)需要綜合考慮。其中，數(shù)字環(huán)路還包含非線性增益模塊，使能后可以有效提升整個(gè)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
2.1 數(shù)字電源模擬前端（AFE）
圖4 紅色框內(nèi)電路為數(shù)字電源模擬前端（Analog-Front End，AFE）的一部分，其增益可以設(shè)置為1,2,4,8 等四個(gè)不同的值。設(shè)置不同的增益，則ADC 的輸出精度也隨之不同，比如設(shè)置增益為4，則輸出精度為2mV；設(shè)置增益為1，則輸出精度為8mV。
在相同輸入誤差（VEAP-VEAN）的情況下，不同的AFE 增益值將直接影響環(huán)路指標(biāo)。其影響趨勢(shì)為，增益越大，環(huán)路帶寬越寬。
圖4：數(shù)字電源的模擬前端
2.2 數(shù)字電源環(huán)路
圖5 所示的是數(shù)字電源的環(huán)路框圖。其中，en是誤差放大器的輸出，為數(shù)字信號(hào)；yn是環(huán)路的輸出，亦為數(shù)字信號(hào)，輸入到PWM模塊。KNLR 模塊是非線性增益模塊，可以使能或禁止，下一節(jié)會(huì)進(jìn)行詳細(xì)分析。a1, a2, b0, b1, b2 是環(huán)路補(bǔ)償?shù)南禂?shù)，允許用戶修改以適應(yīng)不同的功率級(jí)設(shè)計(jì)。需要說(shuō)明的是，UCD92xx 內(nèi)部設(shè)計(jì)有2 套a1~b2 的參數(shù)，分別用于軟啟動(dòng)階段和正常運(yùn)行階段。
圖5：數(shù)字電源環(huán)路框圖
2.3 非線性增益
圖5 中的KNLR模塊即為非線性增益模塊，其詳細(xì)的框圖如圖6。當(dāng)en 不超過(guò)lim0 時(shí)，增益為Gin0；當(dāng)en超過(guò)Lim0 但不超過(guò)lim1 時(shí)，增益為Gain1；依此類推。非線性增益模塊依據(jù)誤差放大器的輸出進(jìn)行不同程度的放大，可以有效的提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。如果Gain0設(shè)置為1，即便使能非線性增益模塊，也不會(huì)影響環(huán)路指標(biāo)。如果Gain0 由1 修改為0.75 或1.25，則會(huì)影響環(huán)路指標(biāo)。其影響趨勢(shì)為，增益越大，環(huán)路帶寬越寬。
圖6：非線性增益模塊
2.4 數(shù)字電源環(huán)路配置
圖6 和圖7 是使用數(shù)字電源開(kāi)發(fā)工具Fusion Digital Power Designer 來(lái)配置環(huán)路的軟件截圖。該工具可以模擬整個(gè)環(huán)路并給出配置之后的閉環(huán)環(huán)路指標(biāo)，包括截止頻率，相位余度和增益余度，極大的方便了環(huán)路的調(diào)試和優(yōu)化。
圖6 所示的是軟啟動(dòng)時(shí)的環(huán)路配置。零極點(diǎn)的信息在“Linear Compensation”方框中，其中AFE 的Gain 設(shè)置為4×；該配置中使能了非線性增益，其Limit 值和Gain 值是允許用戶修改的。最終，整個(gè)環(huán)路的指標(biāo)為23.87KHz（截止頻率），49.33°（相位余度），11.77dB（增益余度）。
圖7 所示的是正常運(yùn)行時(shí)的環(huán)路配置。零極點(diǎn)的信息在“Linear Compensation”方框中，其中AFE 的Gain 為4×；該配置中使能了非線性增益，其Limit 值和Gain 值是允許用戶修改的。最終，整個(gè)環(huán)路的指標(biāo)為33. 7KHz（截止頻率），50.57°（相位余度），8.77dB（增益余度）。
正是采樣上述配置，輸出電壓在軟啟動(dòng)階段其波形有明顯的“臺(tái)階狀”。下面將嘗試放慢環(huán)路后，驗(yàn)證是否可以優(yōu)化軟啟動(dòng)階段的波形。
2.5 優(yōu)化環(huán)路配置
圖9 是軟啟動(dòng)環(huán)路優(yōu)化后的軟件截圖。
環(huán)路的優(yōu)化包括：1）不再使能非線性增益，同時(shí)將Gain0 由1 修改為0.5；這可以降低環(huán)路的低頻增益，最終降低環(huán)路帶寬；2）將AFE 的Gain 由4 修改為1，同樣可以降低環(huán)路帶寬。1 倍的Gain 將使AFE 的輸出的精度變差，并最終影響到輸出電壓，但考慮到軟啟動(dòng)階段對(duì)輸出電壓的精度要求略低，因此可以上述修改可以接受。
需要說(shuō)明的是，為保證正常運(yùn)行時(shí)輸出電壓的性能（精度，動(dòng)態(tài)性能等），正常運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的環(huán)路參數(shù)將保持不變。
圖9：優(yōu)化軟啟動(dòng)環(huán)路參數(shù)
圖10 所示的是優(yōu)化環(huán)路后的輸出電壓波形，可以觀察到在軟啟動(dòng)階段的“臺(tái)階”現(xiàn)象消失，波形平滑。
圖11 是將時(shí)間軸展開(kāi)后的輸出電壓波形，可以觀察到其步進(jìn)的時(shí)間依然是100us，步進(jìn)的幅度為24mV（與理論值25mV 基本一致），但每一次的步進(jìn)不再是突然增加，而是緩慢增加。因此，輸出電壓波形變得較為平滑。
圖10：優(yōu)化后的軟啟動(dòng)波形 圖11：展開(kāi)時(shí)間抽觀察輸出電壓波形
但是，在圖10 所示的波形中可以觀察到，輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)刻有一個(gè)正向過(guò)沖并很快回落。嚴(yán)格意義上，該過(guò)沖會(huì)影響輸出電壓波形的單調(diào)性，在一些應(yīng)用場(chǎng)景中是不運(yùn)行的。下文將針對(duì)該過(guò)沖進(jìn)行優(yōu)化。
3 調(diào)整最小驅(qū)動(dòng)時(shí)間進(jìn)一步優(yōu)化輸出波形
優(yōu)化環(huán)路后輸出電壓在軟啟動(dòng)階段變得較為平滑，但會(huì)存在一個(gè)明顯的過(guò)沖，需要進(jìn)行優(yōu)化。下文通過(guò)調(diào)整最小占空比寬度來(lái)消除該過(guò)沖。
3.1 數(shù)字電源軟啟動(dòng)的kick-start
圖12 中所示的是數(shù)字電源的輸出電壓軟啟動(dòng)示意圖。在開(kāi)始時(shí)刻，輸出電壓有一個(gè)快速的上升，稱之為“Kick-start”。Kick-start 的幅度是根據(jù)下面公式計(jì)算出的：
Vstart =Vin×DRIVER_MIN_PULSE × Fsw
其中，DRIVER_MIN_PULSE 是指UCD92xx 發(fā)出的最小占空比的寬度，允許用戶自行設(shè)定。
圖12：輸出電壓軟啟動(dòng)
以圖10 為例，輸出電壓Kick-start 的幅度約為185mV。其DRIVER_MIN_PULSE 設(shè)置為50ns，理論計(jì)算Kickstart的幅度為：12V×50ns×300KHz=180mV。實(shí)際值與理論值基本一致。
3.2 調(diào)整最小占空比寬度
將DRIVER_MIN_PULSE 由目前的50ns 修改為5ns，以驗(yàn)證其對(duì)輸出電壓的過(guò)沖有無(wú)改善。圖13 即為輸出電壓波形，可以觀察到過(guò)沖已經(jīng)消失，但在起始時(shí)刻，輸出電壓不再平滑。
分析原因可知，當(dāng)DRIVER_MIN_PULSE 設(shè)置為5ns 后，雖然UCD9224 可以發(fā)出寬度為5ns 的驅(qū)動(dòng)脈沖，但UCD74120 對(duì)最小占空比的寬度有要求，5ns 的寬度不足以使集成在UCD74120 內(nèi)部的buck 上管導(dǎo)通，從而造成了輸出電壓上升的不平滑。
圖13：最小占空比寬度修改為5ns 后的輸出電壓波形
過(guò)小的DRIVER_MIN_PULSE 值會(huì)使輸出電壓在起始時(shí)刻變得不再平滑；過(guò)大的DRIVER_MIN_PULSE 的值則會(huì)帶來(lái)正向過(guò)沖。因此，需要找到一個(gè)平衡點(diǎn)。
逐步增大DRIVER_MIN_PULSE 的值，當(dāng)設(shè)置為43ns 時(shí)，達(dá)到了較為理想的平衡點(diǎn)，輸出電壓的波形如圖14所示，輸出不再有正向過(guò)程，而且在整個(gè)軟啟動(dòng)階段輸出電壓波形都比較平滑。
此時(shí)，輸出電壓Kick-start 的幅度約為160mV。其DRIVER_MIN_PULSE 為43ns，理論計(jì)算Kick-start 的幅度為：12V×43ns×300KHz=154.8mV。實(shí)際值與理論值基本一致。
圖14：最終優(yōu)化的輸出電壓波形
4 結(jié)論
通過(guò)修改AFE 的增益值和禁止非線性增益等措施優(yōu)化軟啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的環(huán)路參數(shù)后，可以消除輸出電壓的“臺(tái)階”現(xiàn)象，使波形單調(diào)平滑上升。正常運(yùn)行的環(huán)路參數(shù)無(wú)需改動(dòng)，保證了其較高的帶寬，從而使輸出電壓的精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)保持不變。
通過(guò)優(yōu)化最小占空比的寬度，可以消除在kick-start 之后的正向過(guò)程，使輸出電壓波形單調(diào)平滑。
綜上兩類優(yōu)化措施，最終可以使輸出電壓波形在整個(gè)軟啟動(dòng)階段單調(diào)平滑。
5 參考文獻(xiàn)
1. UCD92xx-Design-Guide, Texas Instruments Inc., 2011
2. UCD9224 datasheet, Texas Instruments Inc., 2010
3. UCD74120 datasheet, Texas Instruments Inc., 2012