摘要
數(shù)字電源控制器UCD3138 含有AFE （analog front end, 模擬前端）模塊和Filter 模塊，用于輸出電壓的環(huán)路反饋。而對上述模塊靈活配置并組合后，也可以完成對輸入到EADC(差分ADC)模塊信號的平均值計算，關(guān)鍵配置涉及到EADC 的過采樣功能(oversample) ，平均功能（averaging）功能和Filter 模塊的積分(integration)支路配置?？紤]到電流互感器的輸出端信號的平均值與實際輸入電流存在比例關(guān)系，因此通過讀取該輸出端信號的平均值便可得到實際的輸入電流信息。
1 引言
1.1 數(shù)字電源控制器UCD3138 的應(yīng)用
UCD3138參考信息：
http://www.ti.com.cn/product/cn/ucd3138?DCMP=contrib&HQS=pwr-pss-hpi-ucd3138-china008-contrib-pf-cn
數(shù)字電源控制器UCD3138 因其自身所具備的良好的前饋功能，通信功能和可編程性等特點，在DC/DC 電源中通常置于副邊側(cè)。常見的拓?fù)浞桨赴ㄈ珮?，半橋和LLC 等。圖1 所示的是應(yīng)用數(shù)字電源（控制器）UCD3138 的硬開關(guān)全橋系統(tǒng)框圖。UCD3138 位于副邊側(cè)，通過數(shù)字隔離器ISO7420CF完成驅(qū)動信號向原邊側(cè)的傳遞。
Figure 1. 硬開關(guān)全橋系統(tǒng)框圖
1.2 隔離電源拓?fù)渲械碾娏骰ジ衅?/p>
圖2 所示的是應(yīng)用于全橋等拓?fù)渲械碾娏骰ジ衅鳌Ｆ湓厒?cè)串入主功率回路，副邊側(cè)將按比例（比例系數(shù)為互感器的匝比T）衰減后的電流信息通過與采樣電阻相乘得電壓信息。位于副邊側(cè)的控制器UCD3138 通過讀取該電壓信息，可以完成逐周期保護等功能。
互感器副邊側(cè)輸出電壓：VT =（Iin÷T）×Rs
Figure 2. 電流互感器應(yīng)用電路
1.3 輸入電流檢測的原理
圖3 所示意的是電流互感器副邊側(cè)輸出端的電壓信號。上下兩組波形是在輸入電壓不同時所對應(yīng)的輸出。在輸出功率確定后，隨著輸入電壓變高，梯形波的上升沿將變陡，其平均值將變低。
Figure 3. 電流互感器輸出信號
電流互感器輸出端的信號平均值與系統(tǒng)輸入電流的平均值成近似比例關(guān)系，因此可以通過讀取電流互感器輸出端的平均值來推算輸入電流。
2 UCD3138 的AFE 模塊和Filter 模塊
2.1 模塊功能概述
UCD3138 的AFE 和Filter 用來完成對輸出電壓誤差的采集，轉(zhuǎn)換和環(huán)路計算，輸出的數(shù)據(jù)進入到DPWM模塊，最終生成合適的占空比。如圖4 所示。
Figure 4. UCD3138 的AFE 和Filter
在實際應(yīng)用中，可以用AFE 和Filter 來采集電流互感器輸出端的信號，并最終計算出其平均值。該功能的實現(xiàn)依賴于AFE 和Filter 所具備的如下特點：
1） AFE 中的EADC 具備oversample 功能，可以在一個周期內(nèi)采集1,2,4,8 個樣本；
2） AFE 對EADC 輸出的數(shù)據(jù)可以進行平均（averaging），即可以對連續(xù)采集到的2,4,或8 個數(shù)據(jù)做累加，然后除于個數(shù)以得到平均值。
3） Filter 是PID 結(jié)構(gòu)，因此可以只使用累加環(huán)節(jié)（Integration 支路），從而可以計算出一段時間內(nèi)的累加和。
2.2 EADC 的Oversample
DPWM模塊可以在EADC 模塊中產(chǎn)生采樣觸發(fā)信號，使EADC 完成一次采樣。同時，EADC 還具有多次（2 次，4 次和8 次）采樣的功能。以8 次采樣為例，當(dāng)EADC 收到DPWM的采樣觸發(fā)信號后，EADC 分別在采樣基準(zhǔn)的1/8 處，2/8 處，3/8 處，4/8 處，5/8 處，6/8 處，7/8 處和采樣基準(zhǔn)處完成8 次采樣，如圖5 所示。
Figure 5. EADC 的Oversample
2.3 EADC 的averaging
EADC 提供了兩種數(shù)據(jù)平均方式，分別是連續(xù)方式（consecutive mode）平均和空間方式（spatialmode）平均。圖6 示意的如何對數(shù)據(jù)進行連續(xù)方式平均。其原理就是對連續(xù)采樣的2,4 或8 個數(shù)據(jù)進行累加，然后除于累加的個數(shù)，便得到了平均值。
計算后的平均值將送入到Filter 環(huán)節(jié)。
Figure 6. EADC 的Oversample
2.4 UCD3138 的Filter
圖7 是UCD3138 的filter，基于PID 結(jié)構(gòu)。當(dāng)只使用I 支路（即累加環(huán)節(jié)），可以對Xn 數(shù)據(jù)進行不斷的累加，累加的結(jié)果存儲在KI_YN 寄存器中。而Xn 數(shù)據(jù)就是來自EADC 的輸出。
Figure 7. UCD3138 的Filter 結(jié)構(gòu)
2.5 全流程數(shù)據(jù)處理
當(dāng)oversample 配置為8 次，EADC 的平均次數(shù)配置為2 次，在2 個周期的時間內(nèi)KI_YN 寄存器得到的數(shù)據(jù)如下圖8 所示：
1） 每個周期采樣8 個樣本，故2 個周期共采集16 個；
2） 每2 個樣本進行平均，平均后的數(shù)據(jù)進入到累加環(huán)節(jié)；
3） 在2 個周期內(nèi)，KI_YN 寄存器中總共存儲有8×2=16 個樣本的累加和；
Figure 8. 全流程數(shù)據(jù)處理
3 讀取三角波的平均值
3.1 測試原理簡述
在UCD3138 的EAP1/EAN1 引腳（如圖4）接入直流電平信號或三角波信號，然后配置合理的
oversample，averaging 和采集的周期個數(shù)，最終在KI_YN 寄存器可以得到樣本總和。
然后將樣本總和與樣本個數(shù)相除，便得到了樣本的平均值。
3.2 直流電平信號平均值的讀取
在EAP1 引腳接入直流電平信號（如圖9 左中的CH1），實測平均值為220mV。
通過配置oversample 為8 次，averaging 為8 次，在兩個周期內(nèi)得到的平均值為-156÷8=-19.5。此時，DAC_Value 寄存器中寫入的值為2048，因此，根據(jù)軟件采樣確定的平均值為：
（2048÷16）×1.5625mV - （-19.5）= 219.5mV
該值與實際值的偏差小于-0.5%。上述公式的含義可以參考“參考文獻5”。
Figure 9. 直流信號平均值讀取
3.3 三角流平均值的讀取
在EAP1 引腳接入三角波信號（如圖10 左中的CH1），實測平均值為136mV。
通過配置oversample 為8 次，averaging 為8 次，在兩個周期內(nèi)得到的平均值為466÷8=58.25。此時，DAC_Value 寄存器中寫入的值為2048，因此，根據(jù)軟件采樣確定的平均值為：
（2048÷16）×1.5625mV - 58.25= 141.75mV
該值與實際值的偏差小于5%。
Figure 10. 三角波信號平均值讀取
3.4 軟件流程與代碼
圖11 是整個數(shù)據(jù)處理的軟件流程圖，主要包含主程序中的初始化與配置，快中斷程序中的數(shù)據(jù)處理等兩個部分。
對快中斷部分，使用周期快中斷，中斷間隔為256 個周期。每次處理都是連續(xù)三次進入快中斷，在第一次進入快中斷后，配置EADC 和Filter；在第二次進入后進行數(shù)據(jù)讀取，此時在KI_YN 中共有8×256=2048 個樣本的累加和。（oversample 設(shè)置為8）
Figure 11. 軟件處理流程
關(guān)鍵代碼如下：
1. 配置Dpwm0 周期中斷及打開中斷功能
2. 快中斷處理程序
僅在第二次和第三次進入快中斷后進行數(shù)據(jù)的讀取。
3. 配置函數(shù)handle_current_averaging_config()
該函數(shù)主要完成EADC1 與Filter1 的連接配置、EADC 的基本配置（包括DAC_VALUE 的寫入，AFE_GAIN 的配置，Averaging 的配置等）、Oversample 的配置及Filter 的配置。
4. 配置函數(shù)handle_current_averaging()
該函數(shù)主要完成KI_YN 寄存器中數(shù)據(jù)的讀取，F(xiàn)ilter 的復(fù)位（需要對KI_YN 寄存器清零，不然該寄存器會溢出）及Filter 的使能等。
4 實測單板輸入電流
4.1 測試單板概述
在一款基于UCD3138 的硬開關(guān)全橋EVM 板（UCD3138HSFBEVM-029）上進行輸入電流的實際測試。該單板的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格如下：
● 輸入電壓：36V~72V
● 輸出功率：12V×30A
● 功率拓?fù)洌簡渭売查_關(guān)全橋
● 電流互感器：如圖2 所示，T1 的匝比為100:1，Rs 為10 ohm。
為實現(xiàn)EADC1 和Filter1 讀取和計算輸入電流，需要將電流互感器副邊側(cè)的輸出連接到EAP1 和EAN1。單板其余部分保留原有設(shè)計。
4.2 實測數(shù)據(jù)
1. 輸出電流設(shè)定為3A，輸入電壓設(shè)定為50V
實測電流互感器的輸出信號如圖12（左），其平均值為89.26mV。此時輸入電流為850mA，二者存在近似比例關(guān)系。比例系數(shù)主要由互感器的匝比與采樣電阻決定：0.01×10=0.1。
Figure 12. 實測波形及實際讀取數(shù)據(jù)1
將DAC_VALUE 設(shè)定為1024，通過軟件計算后，讀取到的current_x16 變量（該變量含義參考3.4小節(jié)）值為9，如圖12（右）所示。因此，計算出的平均值為：
（1024÷16）×1.5625mV – 9 = 91mV
該值與實測值的誤差小于5%，與實際輸入電流的誤差小于7%。
2. 輸出電流設(shè)定為3A，輸入電壓設(shè)定為55V
實測電流互感器的輸出信號如圖13（左），其平均值為82.48mV。此時輸入電流為780mA。
Figure 13. 實測波形及實際數(shù)據(jù)讀取2
將DAC_VALUE 設(shè)定為1024，通過軟件計算后，讀取到的current_x16 變量值為15，如圖13（右）所示。因此，計算出的平均值為：
（1024÷16）×1.5625mV – 13 = 87mV
該值與實測值的誤差小于5%，與實際輸入電流的誤差小于12%。
5 總結(jié)
通過上文描述可知，在對UCD3138 的EADC 和Filter 進行相應(yīng)配置后，可以完成對EAP/EAN 引腳輸入信號平均值的讀取，而且讀取值與實際值的誤差較小。
同樣，該功能可以應(yīng)用于單板輸入電流的讀取，實測結(jié)果亦證實了這一點。受限于輕載條件下實際輸入電流與電流互感器的輸出存在較大誤差，因此，軟件讀取值與實際輸入電流存有一定誤差。
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