数字电源UCD92xx的输出电压波形优化与分析

基于UCD92xx与UCD7xxx的非隔离数字电源，其输出电压在软启动阶段经常出现"台阶"现象，波形不平滑，尤其是输出电压设定为较低值时，如1.0V。这种"台阶"现象与UCD92xx 软启动的设计原理有关，但完全可以通过一定的措施来优化并最终解决。本文从UCD92xx的环路和最小占空比宽度两个方向进行优化与分析，最终取得了理想的效果。

1、软启动原理及待优化输出电压波形

数字电源UCD92xx的软启动是通过对参考电压以步进方式增加来实现的，整个过程是由芯片内部的软件自动完成的。在一款基于UCD9224和UCD74120的单板上测试时发现，其输出电压波形在软启动阶段有明显的"台阶"现象，波形不平滑。

1.1 数字电源软启动原理介绍

图1所示的是数字电源UCD92xx的功率支路和控制支路。控制支路主要集成在UCD92xx芯片内部，包含误差生成及模数转换，环路补偿，PWM计算及产生等。其中，参考电压（VREF）电压的设置亦包含在控制支路。

依据软件算法，在软启动阶段，VREF每100μs增加一次，直至软启动完成，即输出电压达到最终的设定值。例如，输出电压设定为1.0V，软启动的时间设置为4ms，则在软启动阶段输出电压每一次增加25mv，直至达到1.0V。

图1：数字电源功率级和控制级框图

1.2 待优化的输出电压波形

图2所示的是输出电压波形，可以观察到在软启动阶段输出电压的波形不够平滑，有明显的"台阶"现象。

该波形是在一款基于UCD9224和UCD74120的参考版上测得。主要测试条件为：测试环境常温，输入电压为12V，输出电压为1.0V，输出端带载20A。另外，测试时，数字环路的详细配置见下文2.4节。

图2：输出电压波形

1.3输出电压"台阶"现象的初步分析

图3所示的是时间轴展开后观察到的输出电压波形。通过测量可知，每经过100μs输出电压增加一次，增加的幅度大约为23mV，与理论计算值25mV基本一致。

同时也可以观察到，输出电压的每一次增加都是很快的完成，而不是缓慢增加。从功率级支路上分析，这是由于占空比快速增加造成。从控制级支路分析，则原因可以初步归结为环路过快造成的。

图3：输出电压的步进幅度

2 数字电源模拟前端及环路

数字电源控制环路包含了模拟前端，数字环路补偿等模块，在配置环路时需要综合考虑。其中，数字环路还包含非线性增益模块，使能后可以有效提升整个电源的动态响应性能。

2.1 数字电源模拟前端（AFE）

图4红色框内电路为数字电源模拟前端（Analog-Front End，AFE）的一部分，其增益可以设置为1,2,4,8等四个不同的值。设置不同的增益，则ADC的输出精度也随之不同，比如设置增益为4，则输出精度为2mV；设置增益为1，则输出精度为8mV。

在相同输入误差（VEAP-VEAN）的情况下，不同的AFE 增益值将直接影响环路指标。其影响趋势为，增益越大，环路带宽越宽。

图4：数字电源的模拟前端

2.2 数字电源环路

图5所示的是数字电源的环路框图。其中，en是误差放大器的输出，为数字信号；yn是环路的输出，亦为数字信号，输入到PWM模块。KNLR模块是非线性增益模块，可以使能或禁止，下一节会进行详细分析。a1, a2, b0, b1, b2是环路补偿的系数，允许用户修改以适应不同的功率级设计。需要说明的是，UCD92xx内部设计有2套a1~b2的参数，分别用于软启动阶段和正常运行阶段。

图5：数字电源环路框图

2.3 非线性增益

图5中的KNLR模块即为非线性增益模块，其详细的框图如图6。当en不超过lim0时，增益为Gin0；当en超过Lim0但不超过lim1时，增益为Gain1；依此类推。非线性增益模块依据误差放大器的输出进行不同程度的放大，可以有效的提升动态响应性能。如果Gain0设置为1，即便使能非线性增益模块，也不会影响环路指标。如果Gain0由1修改为0.75 或1.25，则会影响环路指标。其影响趋势为，增益越大，环路带宽越宽。

图6：非线性增益模块

2.4 数字电源环路配置

图6和图7是使用数字电源开发工具Fusion Digital Power Designer来配置环路的软件截图。该工具可以模拟整个环路并给出配置之后的闭环环路指标，包括截止频率，相位余度和增益余度，极大的方便了环路的调试和优化。

图6所示的是软启动时的环路配置。零极点的信息在"Linear Compensation"方框中，其中AFE的Gain 设置为4×；该配置中使能了非线性增益，其Limit值和Gain值是允许用户修改的。最终，整个环路的指标为23.87KHz（截止频率），49.33°（相位余度），11.77dB（增益余度）。

图7所示的是正常运行时的环路配置。零极点的信息在"Linear Compensation"方框中，其中AFE的Gain为4×；该配置