基于在線軟件工具的數字電源 UCD92xx 反饋環路調試指南

摘 要
基于UCD92xx 的非隔離數字電源系統由控制芯片和功率級芯片構成。功率級芯片由Mosfet 驅動和功率Mosfet組成，包括獨立的Mosfet 驅動（如UCD7232），或者集成Mosfet 的功率級芯片（如UCD7242 和UCD74120等）。通過與UCD92xx 配套使用的在線工具Fusion Digital Power Designer 可以在線調節反饋環路，提高環路調節的效率。本文在一款基于UCD9224 和UCD74120 的數字電源板上演示如何在線調節環路。

1、引言
設計一款基于UCD92xx 的非隔離數字電源，需要首先選擇合適的控制芯片和功率級芯片。當功率級芯片選用UCD74120 時，因其內部集成了驅動器和BUCK 上下管，外圍只需增加電感和輸出電容即可。然后可以使用在線軟件工具對整個電源系統進行配置和調節。

1.1 數字電源控制器UCD92xx
UCD92xx 是內部集成ARM7 核的非隔離數字電源控制器，可以靈活的配置為多路或多相模式，以UCD9224 為例，可以配置其為雙路輸出或單路四相并聯輸出等。 圖1 是UCD9224 的內部框圖，關鍵模塊包括：
● Fusion Power Peripheral：包含輸出電壓誤差的采集，環路補償及DPWM 的輸出等；
● ADC 采樣模塊：包含10 個ADC 接口，用來對外部信息（如溫度，電流）和內部信息（溫度）進行采集；
● Analog Comparators 模塊：包含三個模擬比較器，用來完成對過流等故障的快速保護；
● ARM-7 模塊：包含ARM-7 核，Flash 和晶振等；
● PMBUS 模塊：通訊接口，用來與上位機進行通信；
● 其它：包括SRE 控制等模塊，用來控制BUCK 運行于同步整流還是非同步整流模式；

圖 1：UCD9224 內部框圖 圖 2：UCD74120 內部框圖

1.2 功率級芯片UCD74120
UCD74120 是一款集成了驅動器和BUCK 上下管的功率級芯片，最大輸出電流為25A，內部框圖如圖2。該芯片同時具有電流檢測及上報（給UCD92xx）功能，過流保護（輸出電流的過流保護和BUCK 上管過流保護），欠壓保護，過溫保護及故障上報功能（通過FLT 管腳）等。

1.3 在線調試軟件Fusion Digital Power Designer
TI 提供與UCD92xx 配套的在線工具集：Fusion Digital Power Designer，包括offline 模式和online 模式。Offline模式用來離線配置，而online 模式可以在線對UCD92xx 配置和監控。本文涉及的在線環路調節是使用online 模式軟件。圖3，4，5，6 顯示的即為該軟件工具的四個主要功能模塊。
● 配置：如圖3，實現對輸出電壓幅值及過壓點/欠壓點，上電/下電斜率，輸出過流點等的配置；
● 設計：如圖4，由客戶選定主要功率器件及外圍元件參數，再由Fusion Digital Power Designer 實現對數字電源環路的配置及模擬仿真；
● 監控：如圖5，在線對輸出電流/電壓，輸入電壓等的實時監控；
● 狀態：如圖6，記錄數字電源的各種故障，如過壓，過流，欠壓等，便于故障定位。

圖 3：在線工具的配置界面圖 4：在線工具的設計界面

圖 5：在線工具的監控界面圖 6：在線工具的狀態界面

1.4 演示環路調試的數字電源板
本文在一款基于UCD9224 和UCD74120 的數字電源單板上實際演示環路的調試，包括對應的實測波形。該電源的系統框圖如圖7 所示，包含了四個功率級，采用交錯并聯模式輸出。系統的規格為：輸入電壓12V，輸出電壓1.0V，最大輸出電流為80A。

圖 7：數字電源系統框圖

2、環路在線調試細則
借助于Fusion Digital Power Designer-online 在線工具可以完成環路的配置及仿真，然后根據實測結果再微調，最終可以得到一個理想的環路配置，整個過程中無需調試硬件。

2.1 錄入功率級參數
在圖3 的設計界面中有“Edit Full Power Stage in Schematic”按鈕，點擊后彈出界面8。在該窗口中，用戶需要輸入實際使用的硬件參數值，包括電感（及DCR），電容，反饋電阻等。

上述輸入的這些參數用來完成整個閉環環路的模擬與仿真。因此，當錄入的參數越是與實際參數一致，則仿真得到的環路參數也越是與實際相符。

錄入完畢后即可保存退出。

圖 8：錄入功率級參數

2.2 使用Auto Tune 功能
錄入參數完畢后，就可以開始進行環路的補償及配置。首先可以使用Auto Tune 功能，這也是最為簡單的環路配置方式。即，點擊“Compensation Mode”中的“Auto Tune”，此時圖9 中的中間上部區域會顯示配置后的環路參數：截止頻率19.05kHz，相位余量64.32°，增益余量15.16dB。該功能使用客戶所輸入的硬件參數，以及對相位增益的要求，來自動配置環路補償。使用該功能后，Fusion Digital Power Designer 會進行自動配置環路補償，客戶無法更改環路配置。

圖9 右側區域是基于當前配置的環路參數模擬動態后得到的結果。其中動態條件是可以自行輸入的，最終的動態紋波峰峰值在右側的上部區域有顯示。

如果對這個環路參數及模擬得到的動態紋波峰峰值比較滿意，可以保留當前參數。環路調節完畢。

圖 9：Auto Tune 功能

2.3 手工優化參數配置
假如使用Auto Tune 得到的參數不理想或者想進一步優化，可以點擊“Compensation Mode”中的“Manual”，然后通過調節Linear Compensation 和Non-linear Compensation 得到一個更為理想的環路配置。

1. Linear Compensation 的調試方法
如圖10，顯示的是某次環路配置結果，沒有使能Non-linear 功能。可以觀察到，其截止頻率為1.27K。此時測試到的動態波形（測試條件為：20A~40A~20A，斜率為2.5A/us）的峰峰值為159mV，超出了所要求的100mV指標。

還可以觀察到動態波形的恢復時間也超出了要求的范圍，這是因為過大的動態紋波峰峰值導致了EADC 輸出飽和，其輸出值被鉗制在一個固定值（該值與AFE 的Gain 有關系），因此環路補償電路只能根據該飽和值（小于實際輸出值）進行補償，由此帶來了較長的恢復時間。超長的恢復時間的根因是動態紋波峰峰值過大。

圖 10：帶寬過低造成動態響應差

下面將對上述不太理想的環路進行優化，措施包括調整低頻增益，第一零點，第二零點和第二極點。

在進行手動調節前，需要選定調節方式。目前有三種方式可選：1）Real Zeros 模式；2）Complex Zeros 模式； 3）PID 模式。其中Real Zeros 模式最為貼近常規模擬電源的環路調節方式，下文主要針對此種方式闡述。

1） 調整低頻增益
觀察圖10 中的波特圖，功率支路的雙極點位于約6KHz 處，環路的兩個零點分別是4KHz（Fz1）和13.94KHz（Fz2），但是兩個零點的位置都在截止頻率的右側，因此零點對截止頻率的貢獻較小，可以嘗試增大低頻增益。
K 表示低頻增益。將K 值由原來的61.1dB 修改為72dB 后，截止頻