数字电源UCD9224与UCD7232应用中输出电压关机负过冲的分析及解决

摘要

UCD9224 可以与UCD7232 配合设计非隔离数字电源。在某项目中，采用1 片UCD9224 与4 片UCD7232 设计了四相交错并联输出的数字电源，输出规格为1.0V/80A。在测试中发现，关机时输出电压存在严重的负过冲，幅值可达-380mV。经过仔细定位发现，引起负过冲的根因是UCD9224 进入reset 模式后，SRE_1A 和SRE_1B 引脚变为高阻态，其电压有反弹并下降缓慢。基于此，在SRE_1A 和SRE_1B 引脚各设计一颗下拉电阻，可以给上述两个引脚快速放电，彻底解决负过冲问题。本文对定位过程给予了详细的描述和分析，并最终给出了结论。

1. 数字电源系统设计

某非隔离BUCK数字电源系统的设计基于数字控制器UCD9224与驱动器UCD7232，采用四相并联并配置于交错模式，输入电压为12V，输出电压为1.0V，输出电流最大为80A。

1.1 数字电源系统方框图

UCD9224是内部集成ARM7核的非隔离数字电源控制器，可以灵活的配置为多路或多相模式，并带有PMBUS接口。UCD7232则是与UCD9224配合使用的增强型驱动器，与UCD9224之间有多个信号的交互，完成驱动信号接收，电流采样，故障上报等工作。

图1所示的是该数字电源系统的方框图，包含有1片UCD9224和4片UCD7232，以及功率 MOSFET，输出电感和输出电容等。该系统有两个输入总线，分别是3.3V和12V，其中3.3V用来给UCD9224供电，12V输入到UCD7232和BUCK转换电路，完成到1.0V的转换。该供电架构区别于传统的3.3V由12V通过LDO转换得来的设计。

图 1：数字电源系统框图

1.2 UCD9224与UCD7232的关键信号连接

UCD9224共有4组关键信号与4片UCD7232连接，分别完成电压转换控制，同步整流模式配置和故障上报等功能，下面是这些关键信号的简单介绍：

1） DPWM：由UCD9224输出到UCD7232，是后级BUCK电路的驱动信号来源。其中， BUCK上管驱动信号与DPWM的逻辑相同，BUCK下管的驱动信号与DPWM的逻辑相反。

2）SRE：由UCD9224输出到UCD7232。当UCD7232的SRE_MODE引脚（图1未示意）上拉至高电平后，UCD7232被配置为同步整流模式。当SRE为高时，BUCK的下管得到相应的驱动信号，该驱动信号由DPWM决定。当SRE为低时，BUCK电路的下管处于关闭状态。

3）FLT：由UCD7232输出到UCD9224。当UCD7232检测到欠压，过流或过温等故障后，FLT引脚变为高，UCD9224识别之后会根据当前配置进行相应处理。

4）CS：由UCD7232 的IMON管脚输出到UCD9224的CS管脚。该信号为输出电流采样信号。

2． 输出电压的负过冲

对该系统做输入关机测试时，如果只关闭3.3V，12V保持不变，发现输出电压有明显的负过冲，幅值超过-300mV。如图2所示，关机时输出电压（1.0V，CH3）的负过冲达到了-380mV，测试条件为输出端空载。

3． 负过冲的定位及原因分析

在定位负过冲的过程中，发现关机时BUCK下管的驱动信号异常，进一步发现SRE信号异常，最终发现根因是SRE_1A信号和SRE_1B信号在关机过程中有反弹并且下降缓慢。

3.1 关机时BUCK下管驱动信号异常

保持输入电压12V不变，当关闭3.3V时，输出电压有很大的负过冲。在空载输出时，输出端亦有负过冲，据此初步判断BUCK下管可能有长时间导通，输出电容电压通过长时间。导通的 BUCK下管泄放到地。而实测试发现，BUCK下管的确如此，如图 3。可以观察到，输出电压下降后，BUCK下管的驱动信号（蓝色线）一直保持为高，时间超过了1s。而BUCK上管的驱动信号（蓝色线）在关机过程中正常，如图 4。

3.2 关机时SRE信号异常

理论分析知，关机时SRE信号会变为低电平，BUCK下管的驱动信号随之也会变为低。而该电源系统关机时BUCK下管的驱动信号一直保持为高，怀疑为SRE信号异常。

实测发现SRE_1B（图5中的CH1；CH2为SRE_MODE信号；CH3为输出电压）在下降过程中出现了反弹，然后缓慢下降。而SRE_2A（图6中的CH1；CH2为SRE_MODE信号；CH3为输出电压）则没有反弹，快速下降到0V。

进一步详细测试发现，SRE_1A与SRE_1B在下降过程中皆有反弹，信号异常；而SRE_2A与 SRE_3A正常。

3.3 SRE 信号异常的原因分析

图7显示的是SRE_1B（CH3），V33D（CH2，3.3V）和BPCAP（CH1，1.8V）在关机时的波形。可以观察到，在SRE_1B出现反弹时，3.3V下降到了2.8V左右，UCD9224进入了reset模式。

图 7：3.3V 与 SRE 信号

根据UCD9224芯片的硬件设计，其供电电压下降到2.8V时会处于reset模式。而其进入reset模式后，SRE_1A引脚和SRE_1B引脚变更为高阻态，SRE_2A引脚和SRE_3A引脚变为低电平态（被 UCD9224强制拉低