基于數(shù)字電源控制器UCD3138的一種新的輸入電流檢測方法

1 引言

1.1 數(shù)字電源控制器UCD3138 的應用

數(shù)字電源控制器UCD3138 因其自身所具備的良好的前饋功能，通信功能和可編程性等特點，在DC/DC電源中通常置于副邊側。常見的拓撲方案包括全橋，半橋和LLC 等。圖1 所示的是應用數(shù)字電源（控制器）UCD3138 的硬開關全橋系統(tǒng)框圖。UCD3138 位于副邊側，通過數(shù)字隔離器ISO7420CF完成驅(qū)動信號向原邊側的傳遞。


Figure 1. 硬開關全橋系統(tǒng)框圖

1.2 隔離電源拓撲中的電流互感器

圖2 所示的是應用于全橋等拓撲中的電流互感器。其原邊側串入主功率回路，副邊側將按比例（比例系數(shù)為互感器的匝比T）衰減后的電流信息通過與采樣電阻相乘得電壓信息。位于副邊側的控制器UCD3138 通過讀取該電壓信息，可以完成逐周期保護等功能。

互感器副邊側輸出電壓：VT =（Iin÷T）×Rs


Figure 2. 電流互感器應用電路

1.3 輸入電流檢測的原理

圖3 所示意的是電流互感器副邊側輸出端的電壓信號。上下兩組波形是在輸入電壓不同時所對應的輸出。在輸出功率確定后，隨著輸入電壓變高，梯形波的上升沿將變陡，其平均值將變低。

Figure 3. 電流互感器輸出信號

電流互感器輸出端的信號平均值與系統(tǒng)輸入電流的平均值成近似比例關系，因此可以通過讀取電流互感器輸出端的平均值來推算輸入電流。

2UCD3138 的AFE 模塊和Filter 模塊

2.1模塊功能概述

UCD3138 的AFE 和Filter 用來完成對輸出電壓誤差的采集，轉(zhuǎn)換和環(huán)路計算，輸出的數(shù)據(jù)進入到DPWM模塊，最終生成合適的占空比。如圖4 所示。


Figure 4. UCD3138 的AFE 和Filter

在實際應用中，可以用AFE 和Filter 來采集電流互感器輸出端的信號，并最終計算出其平均值。該功能的實現(xiàn)依賴于AFE 和Filter 所具備的如下特點：

1） AFE 中的EADC 具備oversample 功能，可以在一個周期內(nèi)采集1,2,4,8 個樣本；

2） AFE 對EADC 輸出的數(shù)據(jù)可以進行平均（averaging），即可以對連續(xù)采集到的2,4,或8 個數(shù)據(jù)做累加，然后除于個數(shù)以得到平均值。

3） Filter 是PID 結構，因此可以只使用累加環(huán)節(jié)（Integration 支路），從而可以計算出一段時間內(nèi)的累加和。

2.2 EADC 的Oversample

DPWM模塊可以在EADC 模塊中產(chǎn)生采樣觸發(fā)信號，使EADC 完成一次采樣。同時，EADC 還具有多次（2 次，4 次和8 次）采樣的功能。以8 次采樣為例，當EADC 收到DPWM的采樣觸發(fā)信號后， EADC 分別在采樣基準的1/8 處，2/8 處，3/8 處，4/8 處，5/8 處，6/8 處，7/8 處和采樣基準處完成8 次采樣，如圖5 所示。


Figure 5. EADC 的Oversample

2.3 EADC 的averaging

EADC 提供了兩種數(shù)據(jù)平均方式，分別是連續(xù)方式（consecutive mode）平均和空間方式（spatialmode）平均。圖6 示意的如何對數(shù)據(jù)進行連續(xù)方式平均。其原理就是對連續(xù)采樣的2,4 或8 個數(shù)據(jù)進行累加，然后除于累加的個數(shù)，便得到了平均值。

計算后的平均值將送入到Filter 環(huán)節(jié)。


Figure 6. EADC 的Oversample

2.4 UCD3138 的Filter

圖7 是UCD3138 的filter，基于PID 結構。當只使用I 支路（即累加環(huán)節(jié)），可以對Xn數(shù)據(jù)進行不斷的累加，累加的結果存儲在KI_YN 寄存器中。而Xn數(shù)據(jù)就是來自EADC 的輸出。


Figure 7. UCD3138 的Filter 結構

2.5 全流程數(shù)據(jù)處理

當oversample 配置為8 次，EADC 的平均次數(shù)配置為2 次，在2 個周期的時間內(nèi)KI_YN 寄存器得到的數(shù)據(jù)如下圖8 所示：

1） 每個周期采樣8 個樣本，故2 個周期共采集16 個；

2） 每2 個樣本進行平均，平均后的數(shù)據(jù)進入到累加環(huán)節(jié)；

3） 在2 個周期內(nèi)，KI_YN 寄存器中總共存儲有8×2=16 個樣本的累加和；


Figure 8. 全流程數(shù)據(jù)處理

3讀取三角波的平均值

3.1測試原理簡述

在UCD3138 的EAP1/EAN1 引腳（如圖4）接入直流電平信號或三角波信號，然后配置合理的

oversample，averaging 和采集的周期個數(shù)，最終在KI_YN 寄存器可以得到樣本總和。

然后將樣本總和與樣本個數(shù)相除，便得到了樣本的平均值。

3.2 直流電平信號平均值的讀取

在EAP1 引腳接入直流電平信號（如圖9 左中的CH1），實測平均值為220mV。

通過配置oversample 為8 次，averaging 為8 次，在兩個周期內(nèi)得到的平均值為-156÷8=-19.5。此時，DAC_Value寄存器中寫入的值為2048，因此，根據(jù)軟件采樣確定的平均值為：

（2048÷16）×1.5625mV - （-19.5）= 219.5mV

該值與實際值的偏差小于-0.5%。上述公式的含義可以參考“參考文獻5”。


Figure 9. 直流信號平均值讀取

3.3 三角流平均值的讀取

在EAP1 引腳接入三角波信號（如圖10 左中的CH1），實測平均值為136mV。

通過配置oversample 為8 次，averaging 為8 次，在兩個周期內(nèi)得到的平均值為466÷8=58.25。此時，DAC_Value寄存器中寫入的值為2048，因此，根據(jù)軟件采樣確定的平均值為：

（2048÷16）×1.5625mV - 58.25= 141.75mV

該值與實際值的偏差小于5%。


Figure 10. 三角波信號平均值讀取

3.4 軟件流程與代碼

圖11 是整個數(shù)據(jù)處理的軟件流程圖，主要包含主程序中的初始化與配置，快中斷程序中的數(shù)據(jù)處理等兩個部分。

對快中斷部分，使用周期快中斷，中斷間隔為256 個周期。每次處理都是連續(xù)三次進入快中斷，在第一次進入快中斷后，配置EADC 和Filter；在第二次進入后進行數(shù)據(jù)讀取，此時在KI_YN 中共有8×256=2048 個樣本的累加和。（oversample 設置為8）

Figure 11. 軟件處理流程

關鍵代碼如下：

1.配置Dpwm0 周期中斷及打開中斷功能

2.快中斷處理程序

僅在第二次和第三次進入快中斷后進行數(shù)據(jù)的讀取。

3.配置函數(shù)handle_current_averaging_config()

該函數(shù)主要完成EADC1 與Filter1 的連接配置、EADC 的基本配置（包括DAC_VALUE 的寫入， AFE_GAIN 的配置，Averaging 的配置等）、Oversample 的配置及Filter 的配置。



4.配置函數(shù)handle_current_averaging()

該函數(shù)主要完成KI_YN 寄存器中數(shù)據(jù)的讀取，F(xiàn)ilter 的復位（需要對KI_YN 寄存器清零，不

然該寄存器會溢出）及Filter 的使能等。



4實測單板輸入電流

4.1測試單板概述

在一款基于UCD3138 的硬開關全橋EVM 板（UCD3138HSFBEVM-029）上進行輸入電流的實際測試。該單板的關鍵技術規(guī)格如下：

● 輸入電壓：36V~72V

● 輸出功率：12V×30A

● 功率拓撲：單級硬開關全橋

● 電流互感器：如圖2 所示，T1 的匝比為100:1，Rs為10 ohm。

為實現(xiàn)EADC1 和Filter1 讀取和計算輸入電流，需要將電流互感器副邊側的輸出連接到EAP1 和EAN1。單板其余部分保留原有設計。

4.2 實測數(shù)據(jù)

1.輸出電流設定為3A，輸入電壓設定為50V

實測電流互感器的輸出信號如圖12（左），其平均值為89.26mV。此時輸入電流為850mA，二者存在近似比例關系。比例系數(shù)主要由互感器的匝比與采樣電阻決定：0.01×10=0.1。



Figure 12. 實測波形及實際讀取數(shù)據(jù)1

將DAC_VALUE 設定為1024，通過軟件計算后，讀取到的current_x16 變量（該變量含義參考3.4小節(jié)）值為9，如圖12（右）所示。因此，計算出的平均值為：

（1024÷16）×1.5625mV – 9 = 91mV

該值與實測值的誤差小于5%，與實際輸入電流的誤差小于7%。

2.輸出電流設定為3A，輸入電壓設定為55V

實測電流互感器的輸出信號如圖13（左），其平均值為82.48mV。此時輸入電流為780mA。



Figure 13. 實測波形及實際數(shù)據(jù)讀取2

將DAC_VALUE 設定為1024，通過軟件計算后，讀取到的current_x16 變量值為15，如圖13（右）所示。因此，計算出的平均值為：

（1024÷16）×1.5625mV – 13 = 87mV

該值與實測值的誤差小于5%，與實際輸入電流的誤差小于12%。

5 總結

通過上文描述可知，在對UCD3138 的EADC 和Filter 進行相應配置后，可以完成對EAP/EAN 引腳輸入信號平均值的讀取，而且讀取值與實際值的誤差較小。

同樣，該功能可以應用于單板輸入電流的讀取，實測結果亦證實了這一點。受限于輕載條件下實際輸入電流與電流互感器的輸出存在較大誤差，因此，軟件讀取值與實際輸入電流存有一定誤差。