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作者：Neil Li, Sundy Xu China Telecom Application Team 摘要 基于UCD92xx 與UCD7xxx 的非隔離數(shù)字電源，其輸出電壓在軟啟動階段經(jīng)常出現(xiàn)“臺階”現(xiàn)象，波形不平滑，尤其是輸出電壓設(shè)定為較低值時，如1.0V。這種“臺階”現(xiàn)象與UCD92xx 軟啟動的設(shè)計原理有關(guān)，但完全可以通過一定的措施來優(yōu)化并最終解決。本文從UCD92xx 的環(huán)路和最小占空比寬度兩個方向進行優(yōu)化與分析，最終取得了理想的效果。 1、軟啟動原理及待優(yōu)化輸出電壓波形 數(shù)字電源UCD92xx 的軟啟動是通過對參考電壓以步進方式增加來實現(xiàn)的，整個過程是由芯片內(nèi)部的軟件自動完成的。在一款基于UCD9224 和UCD74120 的單板上測試時發(fā)現(xiàn)，其輸出電壓波形在軟啟動階段有明顯的“臺階”現(xiàn)象，波形不平滑。 1.1 數(shù)字電源軟啟動原理介紹 圖1 所示的是數(shù)字電源UCD92xx 的功率支路和控制支路。控制支路主要集成在UCD92xx 芯片內(nèi)部，包含誤差生成及模數(shù)轉(zhuǎn)換，環(huán)路補償，PWM計算及產(chǎn)生等。其中，參考電壓（VREF）電壓的設(shè)置亦包含在控制支路。 依據(jù)軟件算法，在軟啟動階段，VREF 每100us 增加一次，直至軟啟動完成，即輸出電壓達(dá)到最終的設(shè)定值。例如，輸出電壓設(shè)定為1.0V，軟啟動的時間設(shè)置為4ms，則在軟啟動階段輸出電壓每一次增加25mv，直至達(dá)到1.0V。 
圖 1：數(shù)字電源功率級和控制級框圖 1.2 待優(yōu)化的輸出電壓波形 圖2 所示的是輸出電壓波形，可以觀察到在軟啟動階段輸出電壓的波形不夠平滑，有明顯的“臺階”現(xiàn)象。 該波形是在一款基于UCD9224 和UCD74120 的參考版上測得。主要測試條件為：測試環(huán)境常溫，輸入電壓為12V，輸出電壓為1.0V，輸出端帶載20A。另外，測試時，數(shù)字環(huán)路的詳細(xì)配置見下文2.4 節(jié)。
圖 2：輸出電壓波形 1.3 輸出電壓“臺階”現(xiàn)象的初步分析 圖3 所示的是時間軸展開后觀察到的輸出電壓波形。通過測量可知，每經(jīng)過100us 輸出電壓增加一次，增加的幅度大約為23mV，與理論計算值25mV 基本一致。 同時也可以觀察到，輸出電壓的每一次增加都是很快的完成，而不是緩慢增加。從功率級支路上分析，這是由于占空比快速增加造成。從控制級支路分析，則原因可以初步歸結(jié)為環(huán)路過快造成的。
圖 3：輸出電壓的步進幅度 2 數(shù)字電源模擬前端及環(huán)路 數(shù)字電源控制環(huán)路包含了模擬前端，數(shù)字環(huán)路補償?shù)饶K，在配置環(huán)路時需要綜合考慮。其中，數(shù)字環(huán)路還包含非線性增益模塊，使能后可以有效提升整個電源的動態(tài)響應(yīng)性能。 2.1 數(shù)字電源模擬前端（AFE） 圖4 紅色框內(nèi)電路為數(shù)字電源模擬前端（Analog-Front End，AFE）的一部分，其增益可以設(shè)置為1,2,4,8 等四個不同的值。設(shè)置不同的增益，則ADC 的輸出精度也隨之不同，比如設(shè)置增益為4，則輸出精度為2mV；設(shè)置增益為1，則輸出精度為8mV。 在相同輸入誤差（VEAP-VEAN）的情況下，不同的AFE 增益值將直接影響環(huán)路指標(biāo)。其影響趨勢為，增益越大，環(huán)路帶寬越寬。
圖 4：數(shù)字電源的模擬前端 2.2 數(shù)字電源環(huán)路 圖5 所示的是數(shù)字電源的環(huán)路框圖。其中，
圖 5：數(shù)字電源環(huán)路框圖 2.3 非線性增益 圖5 中的 模塊即為非線性增益模塊，其詳細(xì)的框圖如圖6。當(dāng)en 不超過lim0 時，增益為Gin0；當(dāng)en超過Lim0 但不超過lim1 時，增益為Gain1；依此類推。非線性增益模塊依據(jù)誤差放大器的輸出進行不同程度的放大，可以有效的提升動態(tài)響應(yīng)性能。如果Gain0設(shè)置為1，即便使能非線性增益模塊，也不會影響環(huán)路指標(biāo)。如果Gain0 由1 修改為0.75 或1.25，則會影響環(huán)路指標(biāo)。其影響趨勢為，增益越大，環(huán)路帶寬越寬。
圖 6：非線性增益模塊 2.4 數(shù)字電源環(huán)路配置 圖6 和圖7 是使用數(shù)字電源開發(fā)工具Fusion Digital Power Designer 來配置環(huán)路的軟件截圖。該工具可以模擬整個環(huán)路并給出配置之后的閉環(huán)環(huán)路指標(biāo)，包括截止頻率，相位余度和增益余度，極大的方便了環(huán)路的調(diào)試和優(yōu)化。 圖6 所示的是軟啟動時的環(huán)路配置。零極點的信息在“Linear Compensation”方框中，其中AFE 的Gain 設(shè)置為4×；該配置中使能了非線性增益，其Limit 值和Gain 值是允許用戶修改的。最終，整個環(huán)路的指標(biāo)為23.87KHz（截止頻率），49.33°（相位余度），11.77dB（增益余度）。 圖7 所示的是正常運行時的環(huán)路配置。零極點的信息在“Linear Compensation”方框中，其中AFE 的Gain 為4×；該配置中使能了非線性增益，其Limit 值和Gain 值是允許用戶修改的。最終，整個環(huán)路的指標(biāo)為33. 7KHz（截止頻率），50.57°（相位余度），8.77dB（增益余度）。 正是采樣上述配置，輸出電壓在軟啟動階段其波形有明顯的“臺階狀”。下面將嘗試放慢環(huán)路后，驗證是否可以優(yōu)化軟啟動階段的波形。
圖 7：軟啟動環(huán)路配置 圖 8：正常運行時的環(huán)路配置 2.5 優(yōu)化環(huán)路配置 圖9 是軟啟動環(huán)路優(yōu)化后的軟件截圖。 環(huán)路的優(yōu)化包括：1）不再使能非線性增益，同時將Gain0 由1 修改為0.5；這可以降低環(huán)路的低頻增益，最終降低環(huán)路帶寬；2）將AFE 的Gain 由4 修改為1，同樣可以降低環(huán)路帶寬。1 倍的Gain 將使AFE 的輸出的精度變差，并最終影響到輸出電壓，但考慮到軟啟動階段對輸出電壓的精度要求略低，因此可以上述修改可以接受。 需要說明的是，為保證正常運行時輸出電壓的性能（精度，動態(tài)性能等），正常運行時對應(yīng)的環(huán)路參數(shù)將保持不變。
圖 9：優(yōu)化軟啟動環(huán)路參數(shù) 圖10 所示的是優(yōu)化環(huán)路后的輸出電壓波形，可以觀察到在軟啟動階段的“臺階”現(xiàn)象消失，波形平滑。 圖11 是將時間軸展開后的輸出電壓波形，可以觀察到其步進的時間依然是100us，步進的幅度為24mV（與理論值25mV 基本一致），但每一次的步進不再是突然增加，而是緩慢增加。因此，輸出電壓波形變得較為平滑。
圖 10：優(yōu)化后的軟啟動波形 圖 11：展開時間抽觀察輸出電壓波形 但是，在圖10 所示的波形中可以觀察到，輸出電壓在啟動時刻有一個正向過沖并很快回落。嚴(yán)格意義上，該過沖會影響輸出電壓波形的單調(diào)性，在一些應(yīng)用場景中是不運行的。下文將針對該過沖進行優(yōu)化。 3 調(diào)整最小驅(qū)動時間進一步優(yōu)化輸出波形 優(yōu)化環(huán)路后輸出電壓在軟啟動階段變得較為平滑，但會存在一個明顯的過沖，需要進行優(yōu)化。下文通過調(diào)整最小占空比寬度來消除該過沖。 3.1 數(shù)字電源軟啟動的kick-start 圖12 中所示的是數(shù)字電源的輸出電壓軟啟動示意圖。在開始時刻，輸出電壓有一個快速的上升，稱之為“Kick-start”。 Kick-start 的幅度是根據(jù)下面公式計算出的： Vstart =Vin×DRIVER_MIN_PULSE × Fsw 其中，DRIVER_MIN_PULSE 是指UCD92xx 發(fā)出的最小占空比的寬度，允許用戶自行設(shè)定。
圖 12：輸出電壓軟啟動 以圖10 為例，輸出電壓Kick-start 的幅度約為185mV。其DRIVER_MIN_PULSE 設(shè)置為50ns，理論計算Kickstart的幅度為：12V×50ns×300KHz=180mV。實際值與理論值基本一致。 3.2 調(diào)整最小占空比寬度 將DRIVER_MIN_PULSE 由目前的50ns 修改為5ns，以驗證其對輸出電壓的過沖有無改善。圖13 即為輸出電壓波形，可以觀察到過沖已經(jīng)消失，但在起始時刻，輸出電壓不再平滑。 分析原因可知，當(dāng)DRIVER_MIN_PULSE 設(shè)置為5ns 后，雖然UCD9224 可以發(fā)出寬度為5ns 的驅(qū)動脈沖，但UCD74120 對最小占空比的寬度有要求，5ns 的寬度不足以使集成在UCD74120 內(nèi)部的buck 上管導(dǎo)通，從而造成了輸出電壓上升的不平滑。
圖 13：最小占空比寬度修改為5ns 后的輸出電壓波形 過小的DRIVER_MIN_PULSE 值會使輸出電壓在起始時刻變得不再平滑；過大的DRIVER_MIN_PULSE 的值則會帶來正向過沖。因此，需要找到一個平衡點。 逐步增大DRIVER_MIN_PULSE 的值，當(dāng)設(shè)置為43ns 時，達(dá)到了較為理想的平衡點，輸出電壓的波形如圖14所示，輸出不再有正向過程，而且在整個軟啟動階段輸出電壓波形都比較平滑。 此時，輸出電壓Kick-start 的幅度約為160mV。其DRIVER_MIN_PULSE 為43ns，理論計算Kick-start 的幅度為：12V×43ns×300KHz=154.8mV。實際值與理論值基本一致。
圖 14：最終優(yōu)化的輸出電壓波形 4 結(jié)論 通過修改AFE 的增益值和禁止非線性增益等措施優(yōu)化軟啟動對應(yīng)的環(huán)路參數(shù)后，可以消除輸出電壓的“臺階”現(xiàn)象，使波形單調(diào)平滑上升。正常運行的環(huán)路參數(shù)無需改動，保證了其較高的帶寬，從而使輸出電壓的精度和動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)保持不變。 通過優(yōu)化最小占空比的寬度，可以消除在kick-start 之后的正向過程，使輸出電壓波形單調(diào)平滑。 綜上兩類優(yōu)化措施，最終可以使輸出電壓波形在整個軟啟動階段單調(diào)平滑。 5 參考文獻(xiàn) 1. UCD92xx-Design-Guide, Texas Instruments Inc., 2011 2. UCD9224 datasheet, Texas Instruments Inc., 2010 3. UCD74120 datasheet, Texas Instruments Inc., 2012 |
