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，功能更加豐富，性能更加強大。本文基于一款采用硬開關全橋(副邊采用全波同步整流)拓撲的開關電源，詳細介紹了UCD3138 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UCD3138 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。基于該計算結果，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。

實際應用中，為保證全橋原邊側上管(驅(qū)動地為浮地)可以順利導通，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。

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系為：

1.3 軟件設計

實現(xiàn)Single Frame 功能的軟件設計包括了驅(qū)動信號的配置和電壓采集及轉換等兩個部分，其中第一個部分是核心配置。下面著重討論第一部分。

1. 開關周期的設定

下面代碼設定了開關周期為5us，即200KHz。計算公式為：

#define PERIOD (20000)

Dpwm0Regs.DPWMPRD.all = PERIOD;

2. 單脈沖長度的設定

下面代碼完成了單脈沖脈寬長度的設定， 包含了死區(qū)的設置。該代碼設置的時間寬度為

。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，采樣點設置需要避開開始時刻。下面代碼設置了采樣點的位置：接近脈沖的結束時刻，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通造成輸入電壓沒能夠完全地傳輸?shù)礁边叄诙€脈沖則準確地反應了輸入電壓的信息。此時，輸入電壓為50V，黃色線的平臺為20V，與理論計算一致。

圖 2：Single Frame 實測波形

2、前饋功能的設計與實現(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可以獲知當前輸入電壓;當輸入電壓有劇烈變化時，前饋功能可以快速響應并調(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，前饋模塊的輸出結果直接與環(huán)路最終的輸出相乘，然后由相乘的結果再去調(diào)整占空比大小。這就保證了前饋的結果可以快速調(diào)整當前的占空比。

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