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(duì)上述模塊靈活配置并組合后，也可以完成對(duì)輸入到EADC(差分ADC)模塊信號(hào)的平均值計(jì)算，關(guān)鍵配置涉及到EADC 的過(guò)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(hào)的平均值與實(shí)際輸入電流存在比例關(guān)系，因此通過(guò)讀取該輸出端信號(hào)的平均值便可得到實(shí)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(diǎn)，在DC/DC 電源中通常置于副邊側(cè)。常見(jiàn)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(kāi)關(guān)全橋系統(tǒng)框圖。UCD3138 位于副邊側(cè)，通過(guò)數(shù)字隔離器ISO7420CF完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)向原邊側(cè)的傳遞。
Figure 1. 硬開(kāi)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?。其原邊?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(guò)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(guò)讀取該電壓信息，可以完成逐周期保護(hù)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(cè)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(hào)。上下兩組波形是在輸入電壓不同時(shí)所對(duì)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(hào)
電流互感器輸出端的信號(hào)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(guò)讀取電流互感器輸出端的平均值來(lái)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(lái)完成對(duì)輸出電壓誤差的采集，轉(zhuǎn)換和環(huán)路計(jì)算，輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中，可以用AFE 和Filter 來(lái)采集電流互感器輸出端的信號(hào)，并最終計(jì)算出其平均值。該功能的實(shí)現(xiàn)依賴于AFE 和Filter 所具備的如下特點(diǎn)：
1） AFE 中的EADC 具備oversample 功能，可以在一個(gè)周期內(nèi)采集1,2,4,8 個(gè)樣本；
2） AFE 對(duì)EADC 輸出的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行平均（averaging），即可以對(duì)連續(xù)采集到的2,4,或8 個(gè)數(shù)據(jù)做累加，然后除于個(gè)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(jì)算出一段時(shí)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(hào)，使EADC 完成一次采樣。同時(shí)，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(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)方式平均。其原理就是對(duì)連續(xù)采樣的2,4 或8 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，然后除于累加的個(gè)數(shù)，便得到了平均值。
計(jì)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(duì)Xn 數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的累加，累加的結(jié)果存儲(chǔ)在KI_YN 寄存器中。而Xn 數(shù)據(jù)就是來(lái)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(gè)周期的時(shí)間內(nèi)KI_YN 寄存器得到的數(shù)據(jù)如下圖8 所示：
1） 每個(gè)周期采樣8 個(gè)樣本，故2 個(gè)周期共采集16 個(gè)；
2） 每2 個(gè)樣本進(jìn)行平均，平均后的數(shù)據(jù)進(jìn)入到累加環(huán)節(jié)；
3） 在2 個(gè)周期內(nèi)，KI_YN 寄存器中總共存儲(chǔ)有8×2=16 個(gè)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(cè)試原理簡(jiǎn)述
在UCD3138 的EAP1/EAN1 引腳（如圖4）接入直流電平信號(hào)或三角波信號(hào)，然后配置合理的
oversample，averaging 和采集的周期個(gè)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(gè)數(shù)相除，便得到了樣本的平均值。
3.2 直流電平信號(hào)平均值的讀取
在EAP1 引腳接入直流電平信號(hào)（如圖9 左中的CH1），實(shí)測(cè)平均值為220mV。
通過(guò)配置oversample 為8 次，averaging 為8 次，在兩個(gè)周期內(nèi)得到的平均值為-156÷8=-19.5。此時(shí)，DAC_Value 寄存器中寫(xiě)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(shí)際值的偏差小于-0.5%。上述公式的含義可以參考“參考文獻(xiàn)5”。
Figure 9. 直流信號(hào)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(hào)（如圖10 左中的CH1），實(shí)測(cè)平均值為136mV。
通過(guò)配置oversample 為8 次，averaging 為8 次，在兩個(gè)周期內(nèi)得到的平均值為466÷8=58.25。此時(shí)，DAC_Value 寄存器中寫(xiě)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(shí)際值的偏差小于5%。
Figure 10. 三角波信號(hào)平均值讀取
3.4 軟件流程與代碼
圖11 是整個(gè)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(gè)部分。
對(duì)快中斷部分，使用周期快中斷，中斷間隔為256 個(gè)周期。每次處理都是連續(xù)三次進(jìn)入快中斷，在第一次進(jìn)入快中斷后，配置EADC 和Filter；在第二次進(jìn)入后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，此時(shí)在KI_YN 中共有8×256=2048 個(gè)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(kāi)中斷功能
2. 快中斷處理程序
僅在第二次和第三次進(jìn)入快中斷后進(jìn)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(xiě)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(duì)KI_YN 寄存器清零，不然該寄存器會(huì)溢出）及Filter 的使能等。
4 實(shí)測(cè)單板輸入電流
4.1 測(cè)試單板概述
在一款基于UCD3138 的硬開(kāi)關(guān)全橋EVM 板（UCD3138HSFBEVM-029）上進(jìn)行輸入電流的實(shí)際測(cè)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(jiǎn)渭?jí)硬開(kāi)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(shí)現(xiàn)EADC1 和Filter1 讀取和計(jì)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(jì)。
4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
1. 輸出電流設(shè)定為3A，輸入電壓設(shè)定為50V
實(shí)測(cè)電流互感器的輸出信號(hào)如圖12（左），其平均值為89.26mV。此時(shí)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(shí)測(cè)波形及實(shí)際讀取數(shù)據(jù)1
將DAC_VALUE 設(shè)定為1024，通過(guò)軟件計(jì)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(jì)算出的平均值為：
（1024÷16）×1.5625mV – 9 = 91mV
該值與實(shí)測(cè)值的誤差小于5%，與實(shí)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(shí)測(cè)電流互感器的輸出信號(hào)如圖13（左），其平均值為82.48mV。此時(shí)輸入電流為780mA。
Figure 13. 實(shí)測(cè)波形及實(shí)際數(shù)據(jù)讀取2
將DAC_VALUE 設(shè)定為1024，通過(guò)軟件計(jì)算后，讀取到的current_x16 變量值為15，如圖13（右）所示。因此，計(jì)算出的平均值為：
（1024÷16）×1.5625mV – 13 = 87mV
該值與實(shí)測(cè)值的誤差小于5%，與實(shí)際輸入電流的誤差小于12%。
5 總結(jié)
通過(guò)上文描述可知，在對(duì)UCD3138 的EADC 和Filter 進(jìn)行相應(yīng)配置后，可以完成對(duì)EAP/EAN 引腳輸入信號(hào)平均值的讀取，而且讀取值與實(shí)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(shí)測(cè)結(jié)果亦證實(shí)了這一點(diǎn)。受限于輕載條件下實(shí)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(shí)際輸入電流存有一定誤差。
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