数字电源控制器 UCD3138的数字比较器与模数转换器的应用说明

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

摘要

数字电源控制器UCD3138 内部集成有 4 个数字比较器，可以灵活配置其输入端和参考值。模拟前端（AFE）模块的绝对值量和EADC 的输出都可以作为数字比较器的输入，因此使用数字比较器可以实现对系统输出电压的故障响应与保护。UCD3138 内部集成有 16 个模数转换器（ADC），其中名称为 ADC15 的模数转换器不对外部开放，可以用来检测 3 个AFE 模块中任何一个的 EAP 或 EAN 引脚，实现对系统输出电压的精确采集，最终可以实现对输出电压的故障响应与保护。

1、UCD3138 的数字比较器

UCD3138 内部集成有4数字比较器，可以以AFE 的绝对值量或者误差值为输入端，灵活配置参考值，最终实现对系统输出电压故障（过压，欠压等）的快速响应与保护。

1.1 数字比较器的硬件电路简介

图 1 所示的是UCD3138 芯片内部模拟前端（Analog Front End，AFE）的框图。输出电压在分压后以差分信号的方式进入到AFE 模块，与参考电压（DAC0 的输出值）比较后得到误差信号（模拟量）；该误差信号在模数转换后变为数字量，然后输入到数字环路补偿模块（Filter）。


Figure 1. UCD3138 AFE 模块框图

为丰富应用的灵活性，用户设置的参考值（数字量）与EADC 的输出值（数字量）相加后生成一个叫做“ 绝对值量（absolute value）” 的数字信号，可以表征实际采集到的电压信息（即Vd 的值）。

UCD3138 的数字比较器就是以数字误差信号（B 点值）或绝对值量（C 点值）作为一个输入端，参考电压值（用户可以自行设置）为另一个输入端所组成，触发后可以配置其关断任何一路DPWM。

UCD3138 中有3 个AFE 模块，同样地，也有4 个数字比较器。

1.2 数字比较器涉及的关键寄存器

1.2.1 EADC的输出

EADC 的输出是参考电压与输入模拟量相减后的值在数字化之后的信息量，即数字误差量，其范围与AFE 自身的增益有直接关系。例如，当增益值设置为1 时，其输出范围是+248~-256；而增益设置为8 时，输出范围是+31~-32.
寄存器EADCRAWVALUE 的第0~8 位（共9bit，名称为RAW_ERROR_VALUE）保存的即为EADC 的输出，分辨率为1mV/bit。

1.2.2 DAC的输入

DAC 的输出即为系统的参考电压。在UCD3138 的实际应用中，用户可以设置DAC 的输入值，为数字信号量。寄存器EADCDAC 的第4~13 位（共10bit，名称为DAC_VALUE）保存了用户的设置值。分辨率为1.5625mV/bit。

1.2.3 绝对值量

寄存器 EADCVALUE 的第16~25 位（共10bit，名称为ABS_VALUE）保存的就是绝对值量，分辨率为1.5625mV/bit。
上文提到，绝对值量是EADC 的输出信息与DAC 的输入信息相加得到的，但并不是二者数字量的直接相加，因为其分辨率不同。事实上，上述三个数字量所各自表征的模拟量存在等式关系。

例如，某条件下，EADC 的输出（ERROR_VALUE）为192；DAC 的输入为747；绝对值量(ABS_VALUE)为624，如下图2 所示。


Figure 2. Memory Debugger 中读取到的寄存器值

显然，747-624=123≠ 192。但是，各自的模拟量则满足等式关系，如下：

► EADC 的输出192 对应的模拟量为192×1mV/bit=192mV；
► DAC 的输入747 对应的模拟量为 747×1.5625mV/bit=1167.1875mV；
► 绝对值量624 对应的模拟量为 624×1.5625mV/bit=975mV；
◎ 最终，1167.1875-975=192.1875≈ 192.

或者，三个数字量可以在增加衰减系数后存在如下等式关系：



1.3 数字比较器的软件配置

在程序初始化阶段，可以完成对数字比较器的配置。以配置数字比较器0 为例，主要代码如下：

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.CNT_THRESH = 1;

上述代码配置只需触发一次数字比较器就会产生一个fault。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.FE_SEL = 0;

上述代码配置数字比较器的输入为AFE0 的绝对值量。也可以配置为EADC 的输出。另外，其余两个AFE 的绝对值量和EADC 的输出也可以配置为数字比较器0 的输入。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.COMP_POL = 1;

上述代码配置为数字比较器的输入高于参考量后才会触发。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.THRESH = 850;

参考量设置为850。如果输入量选择为绝对值量，则当Vd 电压大于850×1.5625mV/bit =1.33V 时便会触发数字比较器。
FaultMuxRegs.DPWM0FLTABDET.bit.DCOMP0_EN=1;

上面代码配置为，数字比较器触发后立即关断DPWM0A 和DPWM0B。

1.4 数字比较器的实际应用结果

实际调试时，图1 的Vd 处外接一个可调电压，并由0V 慢慢增大。可以观察到，当电压超过1.33V 后，驱动信号便立即被关闭，符合预期，如下图3（CH3 为Vd 电压，CH2 为DPWM0B）。


Figure 3. 数字比较器触发后关闭DPWM0B

1.5 数字比较器的实际应用结果

实际应用中需要注意EADC 的饱和问题。

上文1.2 节提到，EADC 的输出有一定的范围，当输入过大或过小时，EADC 的输出会固定在其上限或下限，此时便是EADC 处于了饱和状态。仍以上面提到的实验为背景进行说明，其中AFE的增益设置为1。

当 Vd 电压为554mV 时，绝对值量预计为355（因为554/1.5625≈ 355），EADC 的输出预计为613（参考1.2 节最后的等式）。而实际读取发现，绝对值量为588，EADC 的输出为248，这与设想完全不同。分析原因可知，此时EADC 已经处于了正向饱和，输出的上限为248。


Figure 4. EADC 正向饱和

同样地，当 Vd 电压为1.64V 时，绝对值量预计为1050（因为1640/1.5625≈ 1050），EADC 的输出预计为-473（参考1.2 节最后的等式）。而实际读取发现，绝对值量为911，EADC 的输出为-256，这与设想也是完全不同。分析原因亦可知，此时EADC 已经处于负向饱和，输出的下限为-256。


Figure 5. EADC 负向饱和

综合上面分析可知，在DAC 的值固定后，绝对值量存在一个范围，该范围与AFE 的增益有直接关系，如下表所示。

Table 1. 绝对值量范围和AFE 增益的关系


可以观察到，如果AFE 的增益设置为8，DAC 的值为747 时，绝对值的范围是727~767。此时，如果计划让数字比较器在Vd 为1.33V 时触发，则其参考值需要设置为850。然而，数字比较器的另一端（输入为绝对值）最大仅为767，因此数字比较器将没有机会被触发。

实际应用中，设置数字比较器的参考值时需要考虑AFE 的增益，以防止因EADC 提前饱和导致其输出被钳制而无法触发数字比较器。