數(shù)字電源控制器 UCD3138 的 Single Frame 和前饋功能說明

摘 要

UCD3138 是德州儀器(Texas Instruments)公司推出的最新一代數(shù)字電源控制器，于2012 年第一季度正式發(fā)布。相比于上一代數(shù)字電源控制器UCD30xx，其在諸多方面有著重要改進(jìn)，功能更加豐富，性能更加強(qiáng)大。本文基于一款采用硬開關(guān)全橋(副邊采用全波同步整流)拓?fù)涞拈_關(guān)電源，詳細(xì)介紹了UCD3138 的Single Frame 功能和輸入電壓前饋功能。在完成對(duì)上述功能理解地同時(shí)也可以清楚的了解到UCD3138 的優(yōu)勢(shì)所在。本文的最后部分給出了參考文獻(xiàn)。

1、Single Frame 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Single Frame 是一種全新的在副邊完成對(duì)原邊輸入電壓檢測(cè)的方法。通過該方法可以在副邊直接快速地檢測(cè)當(dāng)前輸入電壓，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能，因此無需額外的輸入欠壓保護(hù)電路及光耦或數(shù)字隔離器。

1.1 Single Frame 功能介紹

在電源系統(tǒng)未正式運(yùn)行前，UCD3138 芯片會(huì)周期性的發(fā)出單個(gè)或幾個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，使硬開關(guān)全橋工作單個(gè)或者多個(gè)周期。此時(shí)，在變壓器副邊中心抽頭處可以產(chǎn)生出電壓，該電壓與輸入電壓成線性關(guān)系，因此通過UCD3138 檢測(cè)該點(diǎn)電壓并通過軟件計(jì)算后可以得到輸入電壓。基于該計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)可以判斷輸入電壓是否達(dá)到開啟點(diǎn)，以決定是否退出欠壓保護(hù)并開始正常運(yùn)行。

實(shí)際應(yīng)用中，為保證全橋原邊側(cè)上管(驅(qū)動(dòng)地為浮地)可以順利導(dǎo)通，通常需要連續(xù)發(fā)送幾個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)脈沖。在本文涉及的硬開關(guān)全橋中，實(shí)際發(fā)送了2 個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖以保證UCD3138 順利檢測(cè)到正確的輸入電壓。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)Single Frame 功能的硬件電路比較簡(jiǎn)單，如下圖1。VIN_CT 網(wǎng)絡(luò)連接到變壓器副邊中心抽頭處，然后通過RC 濾波后連接到UCD3138 的EAP2 引腳。該電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)變壓器中心抽頭處電壓的濾波及縮放。

圖 1：Single Frame 硬件電路

變壓器的匝比為5:2:2 。EAP2 處電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

1.3 軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)Single Frame 功能的軟件設(shè)計(jì)包括了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的配置和電壓采集及轉(zhuǎn)換等兩個(gè)部分，其中第一個(gè)部分是核心配置。下面著重討論第一部分。

1. 開關(guān)周期的設(shè)定

下面代碼設(shè)定了開關(guān)周期為5us，即200KHz。計(jì)算公式為：

#define PERIOD (20000)

Dpwm0Regs.DPWMPRD.all = PERIOD;

2. 單脈沖長(zhǎng)度的設(shè)定

下面代碼完成了單脈沖脈寬長(zhǎng)度的設(shè)定， 包含了死區(qū)的設(shè)置。該代碼設(shè)置的時(shí)間寬度為

。即一個(gè)周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈寬長(zhǎng)度皆為651ns 的脈沖。

Dpwm0Regs.DPWMEV1.all = 20;

Dpwm0Regs.DPWMEV2.all = 2625;

Dpwm0Regs.DPWMEV3.all = 20 + 10000;

Dpwm0Regs.DPWMEV4.all = 2625 + 10000;

3. 采樣時(shí)刻的設(shè)置

考慮到在變壓器副邊中心抽頭處電壓變?yōu)楦唠妷簳r(shí)會(huì)伴隨有尖峰和震蕩，為防止采樣錯(cuò)誤，采樣點(diǎn)設(shè)置需要避開開始時(shí)刻。下面代碼設(shè)置了采樣點(diǎn)的位置：接近脈沖的結(jié)束時(shí)刻，為600ns 處。

Dpwm0Regs.DPWMSAMPTRIG1.all = 2400;

1.4 實(shí)測(cè)波形

如下圖2 所示，綠色線為全橋原邊驅(qū)動(dòng)(即單脈沖)波形，其時(shí)間長(zhǎng)度約為650ns，與軟件設(shè)計(jì)一致。黃色線為變壓器副邊中心抽頭處的電壓波形，第一個(gè)波頭是因?yàn)槿珮蛟厸]有完全導(dǎo)通造成輸入電壓沒能夠完全地傳輸?shù)礁边?，而第二個(gè)脈沖則準(zhǔn)確地反應(yīng)了輸入電壓的信息。此時(shí)，輸入電壓為50V，黃色線的平臺(tái)為20V，與理論計(jì)算一致。

圖 2：Single Frame 實(shí)測(cè)波形

2、前饋功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

前饋(feed forward)功能是UCD3138 的一個(gè)重要特性。借助于實(shí)現(xiàn)Single Frame 功能的硬件電路，UCD3138可以獲知當(dāng)前輸入電壓;當(dāng)輸入電壓有劇烈變化時(shí)，前饋功能可以快速響應(yīng)并調(diào)整占空比，以盡快穩(wěn)定輸出電壓。

2.1 前饋功能實(shí)現(xiàn)原理描述

UCD3138 芯片內(nèi)部的前饋模塊的輸出為一個(gè)增益值，將與環(huán)路的輸出結(jié)果相乘，以共同決定占空比。前饋模塊輸出的增益由該式?jīng)Q定：Gain = Kc + Kp×ΔV 。其中：

◎ Kc 為常數(shù)，通常設(shè)置在0.5~0.7 之間，以方便對(duì)占空比進(jìn)行大小兩個(gè)方向的調(diào)節(jié);

◎ Kp 為輸入電壓差值的放大倍數(shù)。該值為非線性值，即誤差越大則增益越大。誤差較小時(shí)，該值為0;

◎ ΔV 為跳變之后的輸入電壓與跳變前輸入電壓的差值，即Vref(DAC)-Vin_sense。在輸入電壓跳變之后，Vref(DAC)的值會(huì)逐漸逼近新的輸入電壓，以保證該值等于最新的當(dāng)前輸入電壓。

UCD3138 芯片內(nèi)部前饋處理模塊的的示意圖見圖3。

圖 3: 前饋內(nèi)部處理模塊

如下圖4 所示，前饋模塊的輸出結(jié)果直接與環(huán)路最終的輸出相乘，然后由相乘的結(jié)果再去調(diào)整占空比大小。這就保證了前饋的結(jié)果可以快速調(diào)整當(dāng)前的占空比。

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