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

作者: 時間:2012-11-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

是德州儀器(Texas Instruments)公司推出的最新一代,于2012 年第一季度正式發(fā)布。相比于上一代UCD30xx,其在諸多方面有著重要改進,功能更加豐富,性能更加強大。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 的Single Frame 功能和輸入電壓前饋功能。在完成對上述功能理解地同時也可以清楚的了解到 的優(yōu)勢所在。本文的最后部分給出了參考文獻。

1、Single Frame 功能設(shè)計與實現(xiàn)

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

1.1 Single Frame 功能介紹

在電源系統(tǒng)未正式運行前,UCD3138 芯片會周期性的發(fā)出單個或幾個驅(qū)動脈沖,使硬開關(guān)全橋工作單個或者多個周期。此時,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 檢測該點電壓并通過軟件計算后可以得到輸入電壓?;谠撚嬎憬Y(jié)果,系統(tǒng)可以判斷輸入電壓是否達到開啟點,以決定是否退出欠壓保護并開始正常運行。

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

1.2 硬件電路設(shè)計

實現(xiàn)Single Frame 功能的硬件電路比較簡單,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現(xiàn)變壓器中心抽頭處電壓的濾波及縮放。

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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:

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1.3 軟件設(shè)計

實現(xiàn)Single Frame 功能的軟件設(shè)計包括了驅(qū)動信號的配置和電壓采集及轉(zhuǎn)換等兩個部分,其中第一個部分是核心配置。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。計算公式為:數(shù)字電源控制器UCD3138 的Single Frame 和前饋功能說明

#define PERIOD (20000)

Dpwm0Regs.DPWMPRD.all = PERIOD;

2. 單脈沖長度的設(shè)定

下面代碼完成了單脈沖脈寬長度的設(shè)定,包含了死區(qū)的設(shè)置。該代碼設(shè)置的時間寬度為數(shù)字電源控制器UCD3138 的Single Frame 和前饋功能說明。即一個周期內(nèi)輸出兩個脈寬長度皆為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會伴隨有尖峰和震蕩,為防止采樣錯誤,采樣點設(shè)置需要避開開始時刻。下面代碼設(shè)置了采樣點的位置:接近脈沖的結(jié)束時刻,為600ns 處。

Dpwm0Regs.DPWMSAMPTRIG1.all = 2400;

1.4 實測波形

如下圖2 所示,綠色線為全橋原邊驅(qū)動(即單脈沖)波形,其時間長度約為650ns,與軟件設(shè)計一致。黃色線為變壓器副邊中心抽頭處的電壓波形,第一個波頭是因為全橋原邊沒有完全導(dǎo)通造成輸入電壓沒能夠完全地傳輸?shù)礁边?,而第二個脈沖則準(zhǔn)確地反應(yīng)了輸入電壓的信息。此時,輸入電壓為50V,黃色線的平臺為20V,與理論計算一致。

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圖2:Single Frame 實測波形

2、前饋功能的設(shè)計與實現(xiàn)

前饋(feed forward)功能是UCD3138 的一個重要特性。借助于實現(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,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 前饋功能實現(xiàn)原理描述

UCD3138 芯片內(nèi)部的前饋模塊的輸出為一個增益值,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,以方便對占空比進行大小兩個方向的調(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,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。

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圖3:前饋內(nèi)部處理模塊

如圖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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圖4:前饋輸出最終與環(huán)路輸出相乘

2.2 前饋功能的實現(xiàn)

前饋功能的硬件設(shè)計主要包含了輸入電壓的檢測電路,在第一章曾有描述,在此不再贅述。軟件設(shè)計主要包含了Vref(DAC)值的配置、Kc 的配置和前饋功能的啟用設(shè)置。

1)Vref(DAC)值的配置

如下函數(shù)實現(xiàn)了根據(jù)v_input_error 的大小對Vref(DAC)值的更新。v_input_error 為當(dāng)前采集的輸入電壓與前一次采集到的輸入電壓的差值。該函數(shù)包含在一個狀態(tài)機中,100us 執(zhí)行一次,將連續(xù)執(zhí)行300 次,以保證在使能前饋功能之前Vref(DAC)近似等于當(dāng)前輸入電壓。

if(v_input_error > 10)

{

if(FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE > 3000) //can not lower than 35V;

{FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE = FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE - 1;}

}

else if(v_input_error -10)

{

if(FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE 14000) //can not higher than 80V;

{FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE = FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE + 1; }

}

如果誤差很小,即輸入電壓已經(jīng)穩(wěn)定,則系統(tǒng)軟件準(zhǔn)備開啟前饋功能并隨后進入正常運行的狀態(tài)機。

if ( abs(v_input_error) 10) //Vin error is small

{

supply_state = STATE_REGULATED;

Filter0Regs.FILTERCTRL.bit.OUTPUT_MULT_SEL =2;//Enable Feed Forward

}

2)Kc 值的配置

在輸入電壓穩(wěn)定的情況下,如果Kc 直接配置到0.5 到0.7 的某個值,則此時啟用前饋功能會影響正常環(huán)路的輸出,造成輸出電壓出現(xiàn)跌落。如下圖5 所示。

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圖5:Kc 啟用不當(dāng)造成輸出有跌落

跌落的原因是因為此時環(huán)路的正常輸出被突然乘以Gain=Kc=0.5~0.7,所以占空比會立即被限制,輸出電壓出現(xiàn)跌落。直到環(huán)路經(jīng)過多個周期后再將占空比展開到正常大小,輸出電壓才恢復(fù)到正常值。

因此,在實際應(yīng)用中需要將Kc 由1 慢慢減小到需求的值(在本文涉及的硬全橋軟件中選擇Kc 為0.7)。另,在實際設(shè)計中使用Filter2 實現(xiàn)非線性增益和Kc 的設(shè)置,因此軟件配置如下。

Uint32 filter2_kc;

int filter2_kc_step = 0x200;

inline void handle_regulated_state(void)

{

filte


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