基于在线软件工具的数字电源 UCD92xx 反馈环路调试指南

作者：Neil Li, Sundy Xu---China Telecom Application Team

摘 要

基于UCD92xx 的非隔离数字电源系统由控制芯片和功率级芯片构成。功率级芯片由Mosfet 驱动和功率Mosfet组成，包括独立的Mosfet 驱动（如UCD7232），或者集成Mosfet 的功率级芯片（如UCD7242 和UCD74120等）。通过与UCD92xx 配套使用的在线工具Fusion Digital Power Designer 可以在线调节反馈环路，提高环路调节的效率。本文在一款基于UCD9224 和UCD74120 的数字电源板上演示如何在线调节环路。

1、引言

设计一款基于UCD92xx 的非隔离数字电源，需要首先选择合适的控制芯片和功率级芯片。当功率级芯片选用UCD74120 时，因其内部集成了驱动器和BUCK 上下管，外围只需增加电感和输出电容即可。然后可以使用在线软件工具对整个电源系统进行配置和调节。

1.1 数字电源控制器UCD92xx

UCD92xx 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，以UCD9224 为例，可以配置其为双路输出或单路四相并联输出等。   图1 是UCD9224 的内部框图，关键模块包括：

● Fusion Power Peripheral：包含输出电压误差的采集，环路补偿及DPWM 的输出等；
● ADC 采样模块：包含10 个ADC 接口，用来对外部信息（如温度，电流）和内部信息（温度）进行采集；
● Analog Comparators 模块：包含三个模拟比较器，用来完成对过流等故障的快速保护；
● ARM-7 模块：包含ARM-7 核，Flash 和晶振等；
● PMBUS 模块：通讯接口，用来与上位机进行通信；
● 其它：包括SRE 控制等模块，用来控制BUCK 运行于同步整流还是非同步整流模式；


图 1：UCD9224 内部框图   图 2：UCD74120 内部框图

1.2 功率级芯片UCD74120

UCD74120 是一款集成了驱动器和BUCK 上下管的功率级芯片，最大输出电流为25A，内部框图如图2。该芯片同时具有电流检测及上报（给UCD92xx）功能，过流保护（输出电流的过流保护和BUCK 上管过流保护），欠压保护，过温保护及故障上报功能（通过FLT 管脚）等。

1.3 在线调试软件Fusion Digital Power Designer

TI 提供与UCD92xx 配套的在线工具集：Fusion Digital Power Designer，包括offline 模式和online 模式。Offline模式用来离线配置，而online 模式可以在线对UCD92xx 配置和监控。本文涉及的在线环路调节是使用online 模式软件。图3，4，5，6 显示的即为该软件工具的四个主要功能模块。

● 配置：如图3，实现对输出电压幅值及过压点/欠压点，上电/下电斜率，输出过流点等的配置；
● 设计：如图4，由客户选定主要功率器件及外围元件参数，再由Fusion Digital Power Designer 实现对数字电源环路的配置及模拟仿真；
● 监控：如图5，在线对输出电流/电压，输入电压等的实时监控；
● 状态：如图6，记录数字电源的各种故障，如过压，过流，欠压等，便于故障定位。


图 3：在线工具的配置界面           图 4：在线工具的设计界面


图 5：在线工具的监控界面         图 6：在线工具的状态界面

1.4 演示环路调试的数字电源板
本文在一款基于UCD9224 和UCD74120 的数字电源单板上实际演示环路的调试，包括对应的实测波形。该电源的系统框图如图7 所示，包含了四个功率级，采用交错并联模式输出。系统的规格为：输入电压12V，输出电压1.0V，最大输出电流为80A。


图 7：数字电源系统框图

2、环路在线调试细则

借助于Fusion Digital Power Designer-online 在线工具可以完成环路的配置及仿真，然后根据实测结果再微调，最终可以得到一个理想的环路配置，整个过程中无需调试硬件。

2.1 录入功率级参数

在图3 的设计界面中有“Edit Full Power Stage in Schematic”按钮，点击后弹出界面8。在该窗口中，用户需要输入实际使用的硬件参数值，包括电感（及DCR），电容，反馈电阻等。

上述输入的这些参数用来完成整个闭环环路的模拟与仿真。因此，当录入的参数越是与实际参数一致，则仿真得到的环路参数也越是与实际相符。

录入完毕后即可保存退出。


图 8：录入功率级参数

2.2 使用Auto Tune 功能

录入参数完毕后，就可以开始进行环路的补偿及配置。首先可以使用Auto Tune 功能，这也是最为简单的环路配置方式。即，点击“Compensation Mode”中的“Auto Tune”，此时图9 中的中间上部区域会显示配置后的环路参数：截止频率19.05kHz，相位余量64.32°，增益余量15.16dB。该功能使用客户所输入的硬件参数，以及对相位增益的要求，来自动配置环路补偿。使用该功能后，Fusion Digital Power Designer 会进行自动配置环路补偿，客户无法更改环路配置。

图9 右侧区域是基于当前配置的环路参数模拟动态后得到的结果。其中动态条件是可以自行输入的，最终的动态纹波峰峰值在右侧的上部区域有显示。

如果对这个环路参数及模拟得到的动态纹波峰峰值比较满意，可以保留当前参数。环路调节完毕。


图 9：Auto Tune 功能

2.3 手工优化参数配置

假如使用Auto Tune 得到的参数不理想或者想进一步优化，可以点击“Compensation Mode”中的“Manual”，然后通过调节Linear Compensation 和Non-linear Compensation 得到一个更为理想的环路配置。

1. Linear Compensation 的调试方法

如图10，显示的是某次环路配置结果，没有使能Non-linear 功能。可以观察到，其截止频率为1.27K。此时测试到的动态波形（测试条件为：20A~40A~20A，斜率为2.5A/us）的峰峰值为159mV，超出了所要求的100mV指标。

还可以观察到动态波形的恢复时间也超出了要求的范围，这是因为过大的动态纹波峰峰值导致了EADC 输出饱和，其输出值被钳制在一个固定值（该值与AFE 的Gain 有关系），因此环路补偿电路只能根据该饱和值（小于实际输出值）进行补偿，由此带来了较长的恢复时间。超长的恢复时间的根因是动态纹波峰峰值过大。


图 10：带宽过低造成动态响应差

下面将对上述不太理想的环路进行优化，措施包括调整低频增益，第一零点，第二零点和第二极点。

在进行手动调节前，需要选定调节方式。目前有三种方式可选：1）Real Zeros 模式；2）Complex Zeros 模式； 3）PID 模式。其中Real Zeros 模式最为贴近常规模拟电源的环路调节方式，下文主要针对此种方式阐述。

1） 调整低频增益

观察图10 中的波特图，功率支路的双极点位于约6KHz 处，环路的两个零点分别是4KHz（Fz1）和13.94KHz（Fz2），但是两个零点的位置都在截止频率的右侧，因此零点对截止频率的贡献较小，可以尝试增大低频增益。
K 表示低频增益。将K 值由原来的61.1dB 修改为72dB 后，截止频率变为10.41KHz，有了明显的改善，且位于两个零点之间。增益余量和相位余量亦满足环路稳定准则的要求。


图 11：调整低频增益的实际效果

2） 调整第一零点和第二零点

第一零点为4KHz，位于双极点的左侧。即，环路增益受到到第一零点的影响而增强后，随后会受到双极点的影响而衰弱。因此，此时右移第一零点，将会减小截止频率，相位余量也会被减小；反之，截止频率和相位余量会继续变大。例如，当将第一零点修改为5Khz 后，截止频率减小到9.29KHz，相位余量减小为89.2°。


图 12：调整第一零点的实际效果

第二零点为14KHz，位于双极点的右侧，接近截止频率。因此，当左移该零点，原截止频率处的环路增益得到增强，截止频率会变大。第二零点处的相位会被提升，当截止频率变大而接近第二零点后，相位余量也会因此变大。例如，当将第二零点修改为11KHz 后，截止频率变大到9.87KHz，相位余量增大到94.68°。


图 13：调整第二零点的实际效果

3） 调整第二极点

观察图13 中的波特图，增益余量对应的频率为200KHz，而第一极点的位置是119.9KHz。因此，如果想进一步增大增益余量，可以左移第一极点。此时，增益达到200KHz 区域后会下降的更多，增益余量得以增大。


图 14：调整第二极点的实际效果

至此，低频增益，零点和极点都有所调整。使用当前环路参数测试到的动态波形见图15，可以观察到，动态纹波的峰峰降低为90mV，已经满足指标要求。


图 15：线性补偿调节及其实测波形

2、Non-linear Compensation 的使用

非线性补偿的原理是在环路补偿环节加入非线性控制，对大信号响应做进一步的控制。即，当输入到环路的误差量超出一定范围后使用更大的增益值，可以有效降低动态波形的峰峰值，且不影响常态运行时的环路标。

以图16 为例，当误差量在Limit1 和Limit2 之间时，环路增益值为1.25；当超过Limit1/2 但为超出Limit0/3时，增益值为1.75；当超出Limit0/3 后，增益值为2.25。同时，可以观察到，使能非线性补偿后环路的截止频率，增益余量和相位余量与未使用非线性补偿前是一致的。

上文提到的Limitx 中的数值针对的是EADC 的输出（为无单位的纯数值）。EADC 将参考电压和输出电压之间的差值（Vref-Vout）转化为数字化信号。因此，超出Limit2/3 的数值表示输出电压低于参考电压，也即对应于输出电流上跳的动态响应。而低于Limit1/0 的数值表示输出电压高于参考电压，也即对应于输出电流下跳的动态响应。最终，动态纹波的峰峰值降低到了74mV，较未使用非线性补偿变小了了约20%。


图 16：非线性增益调节及实测波形

2.4 环路参数调试完毕的保存及生效

环路参数确定后，点击“Write to Hardware”按钮可以保存当前参数。此时，会弹出一个新的窗口，显示用户刚刚编辑的数据（Original）和实际写入到芯片的数据（New）。二者存在的轻微差异主要是由于模拟到数字转化的量化误差导致的。


图 17：保存数据并生效

虽然将“New”所对应的数据写入到了芯片中。但需要注意的是，此时UCD9224 实际使用的环路参数并不是上述数据。当只有当点击“Activate CLA Bank”按钮后才会使UCD9224 使用“New”所对应的数据。