数字电源控制器UCD3138的逐周期保护功能说明

摘要

UCD3138 是德州仪器(Texas Instruments)公司推出的最新一代数字电源控制器，于2012 年第一季度正式发布。相比于上一代数字电源控制器UCD30xx，其在诸多方面有着重要改进，功能更加丰富，性能更加强大。本文基于一款采用硬开关全桥（副边采用全波整流）拓扑的开关电源，详细介绍了UCD3138 的逐周期保护功能（cycle by cycle limitation）的硬件设计、软件配置和实测数据。在完成对上述功能理解的同时也可以清楚的了解到UCD3138的优势所在。本文的最后部分给出了参考文献。

1、逐周期保护功能的设计与实现

逐周期（cycle by cycle）保护功能是UCD3138 相比于UCD30xx 的一个重要改进，旨在实现原边侧的逐周期保护，在有输入电压浪涌，输出短路等场合可以实现快速响应与保护。

1.1 逐周期功能实现描述

在UCD3138 芯片内部的每个DPWM 模块都有且只有一个cycle by cycle（CBC）硬件模块，如下图3 所示。当CBC 模块接收到触发信号（FAULT）后，CBC 模块会立即响应以限制当前DPWM A 和DPWM B 的占空比，这就实现了cycle by cycle 保护功能。

图 1：UCD3138 内部的CBC 模块

1.2 逐周期功能的硬件设计

如下图2 所示，该电路为原边电流检测电路。借助电流互感器（匝比为100:1），在AD04 网络处得到的电压反映了原边电流的大小，其关系式为：。该网络处的电压将通过模拟比较器传输到UCD3138 芯片内部。

图 2：原边电流检测电路

1.3 逐周期保护功能的软件设计

逐周期保护功能的软件设计包含了模拟比较器AD04 的相关配置、AD04 与DPWM的关联、cycle by cycle相关参数的配置等几个重要部分，下文将一一进行阐述。

1） 模拟比较器AD04 的配置

下面代码完成了对模拟比较器阈值的设置，即触发CBC 的电压点。"ACOMP_D_THRESH"的分辨率为19.5mv，阈值电压设置为30（585mv）。在选定外部电阻（R17，R117）后，可微调该参数，以期得到合适阈值电压。

FaultMuxRegs.ACOMPCTRL1.bit.ACOMP_D_THRESH = 30;

2） 模拟比较器AD04 与DPWM的关联

下面代码完成了AD04（即代码中的比较器D）与DPWM0 和DPWM1 的关联。即，当电压超过AD04 阈值电压后，DPWM0 和DPWM1 的占空比会被限制。

FaultMuxRegs.DPWM0CLIM.bit.ACOMP_D_EN = 1;

FaultMuxRegs.DPWM1CLIM.bit.ACOMP_D_EN = 1;

3）Blanking time 的设置

下面代码设置了Blanking time。"BLANK_A_END"位的分辨率为4ns，因此该代码设置了Blanking time的值为100ns。

Dpwm0Regs.DPWMBLKABEG.bit.BLANK_A_BEGIN=0;

Dpwm0Regs.DPWMBLKAEND.bit.BLANK_A_END =25;

4）连续触发CBC 个数的设置

下面代码的含义是需要连续触发20 次CBC 后系统才会做出响应，可以是关机或不动作（具体响应机制需要在另一代码中设置）。

Dpwm0Regs.DPWMFLTCTRL.bit.CBC_MAX_COUNT = 20;

5）CBC 使能

下面代码为使能CBC 的关键代码。当与之关联的DPWM配置为Normal Mode 时，设置下面标志位为1，便使能了CBC 功能。

Dpwm0Regs.DPWMCTRL0.bit.CBC_ADV_CNT_EN = 1;

Dpwm0Regs.DPWMCTRL0.bit.CBC_PWM_AB_EN = 1;

6）连续触发CBC 后的响应

下面代码完成当连续触发20 次CBC 后系统的响应。当设置为1，则系统的响应是关闭驱动，同时软件状态机跳转到Idle 模式。

Dpwm0Regs.DPWMFLTCTRL.bit.CBC_FAULT_EN = 1;

1.4 逐周期保护功能的实测波形

测试逐周期保护功能时，需要将副边过流保护暂时屏蔽。同时，为充分观察CBC 的效果，设置触发CBC 的响应动作为不关闭驱动，系统正常发波运行。当给系统加载到20A 并触发CBC 后，由于系统不关闭驱动，全桥原边占空比会逐渐被限制，直到变为最小占空比。

实测波形见下图3。由于触发CBC 后占空比会被限制缩小而不关机，因此输出电压会被逐渐拉低。当输出电压稳定后，占空比即被限制到了最小。最小占空比的宽度主要由Blanking time(100ns)和硬件比较器的响应时间(50ns)决定。

图 3：触发CBC 后，占空比被限制