数字电源UCD92xx 输出电压波形的优化

摘 要

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100us 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100us 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33. 7KHz（截止频率），50.57°（相位余度），8.77dB（增益余度）。

正是采样上述配置，输出电压在软启动阶段其波形有明显的“台阶状”。下面将尝试放慢环路后，验证是否可以优化软启动阶段的波形。


图 7：软启动环路配置                               图 8：正常运行时的环路配置

2.5 优化环路配置

图9 是软启动环路优化后的软件截图。

环路的优化包括：1）不再使能非线性增益，同时将Gain0 由1 修改为0.5；这可以降低环路的低频增益，最终降低环路带宽；2）将AFE 的Gain 由4 修改为1，同样可以降低环路带宽。1 倍的Gain 将使AFE 的输出的精度变差，并最终影响到输出电压，但考虑到软启动阶段对输出电压的精度要求略低，因此可以上述修改可以接受。

需要说明的是，为保证正常运行时输出电压的性能（精度，动态性能等），正常运行时对应的环路参数将保持不变。


图 9：优化软启动环路参数

图10 所示的是优化环路后的输出电压波形，可以观察到在软启动阶段的“台阶”现象消失，波形平滑。

图11 是将时间轴展开后的输出电压波形，可以观察到其步进的时间依然是100us，步进的幅度为24mV（与理论值25mV 基本一致），但每一次的步进不再是突然增加，而是缓慢增加。因此，输出电压波形变得较为平滑。


图 10：优化后的软启动波形                       图 11：展开时间抽观察输出电压波形

但是，在图10 所示的波形中可以观察到，输出电压在启动时刻有一个正向过冲并很快回落。严格意义上，该过冲会影响输出电压波形的单调性，在一些应用场景中是不运行的。下文将针对该过冲进行优化。

3 调整最小驱动时间进一步优化输出波形

优化环路后输出电压在软启动阶段变得较为平滑，但会存在一个明显的过冲，需要进行优化。下文通过调整最小占空比宽度来消除该过冲。

3.1 数字电源软启动的kick-start

图12 中所示的是数字电源的输出电压软启动示意图。在开始时刻，输出电压有一个快速的上升，称之为“Kick-start”。 Kick-start 的幅度是根据下面公式计算出的：
Vstart =Vin×DRIVER_MIN_PULSE × Fsw

其中，DRIVER_MIN_PULSE 是指UCD92xx 发出的最小占空比的宽度，允许用户自行设定。


图 12：输出电压软启动

以图10 为例，输出电压Kick-start 的幅度约为185mV。其DRIVER_MIN_PULSE 设置为50ns，理论计算Kickstart的幅度为：12V×50ns×300KHz=180mV。实际值与理论值基本一致。

3.2 调整最小占空比宽度

将DRIVER_MIN_PULSE 由目前的50ns 修改为5ns，以验证其对输出电压的过冲有无改善。图13 即为输出电压波形，可以观察到过冲已经消失，但在起始时刻，输出电压不再平滑。

分析原因可知，当DRIVER_MIN_PULSE 设置为5ns 后，虽然UCD9224 可以发出宽度为5ns 的驱动脉冲，但UCD74120 对最小占空比的宽度有要求，5ns 的宽度不足以使集成在UCD74120 内部的buck 上管导通，从而造成了输出电压上升的不平滑。


图 13：最小占空比宽度修改为5ns 后的输出电压波形

过小的DRIVER_MIN_PULSE 值会使输出电压在起始时刻变得不再平滑；过大的DRIVER_MIN_PULSE 的值则会带来正向过冲。因此，需要找到一个平衡点。

逐步增大DRIVER_MIN_PULSE 的值，当设置为43ns 时，达到了较为理想的平衡点，输出电压的波形如图14所示，输出不再有正向过程，而且在整个软启动阶段输出电压波形都比较平滑。

此时，输出电压Kick-start 的幅度约为160mV。其DRIVER_MIN_PULSE 为43ns，理论计算Kick-start 的幅度为：12V×43ns×300KHz=154.8mV。实际值与理论值基本一致。


图 14：最终优化的输出电压波形

4 结论

通过修改AFE 的增益值和禁止非线性增益等措施优化软启动对应的环路参数后，可以消除输出电压的“台阶”现象，使波形单调平滑上升。正常运行的环路参数无需改动，保证了其较高的带宽，从而使输出电压的精度和动态响应等指标保持不变。

通过优化最小占空比的宽度，可以消除在kick-start 之后的正向过程，使输出电压波形单调平滑。

综上两类优化措施，最终可以使输出电压波形在整个软启动阶段单调平滑。

5 参考文献

1. UCD92xx-Design-Guide, Texas Instruments Inc., 2011
2. UCD9224 datasheet, Texas Instruments Inc., 2010
3. UCD74120 datasheet, Texas Instruments Inc., 2012