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：数字电源环路框图
2.3 非线性增益
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
长安马自达发布＂悦马星空＂用户共创计划
如何真正打造属于VR2．0时代产品，XRSPACE MANOVA VR一体机给你答案
晶体管加偏置的理由
国内首个电力鸿蒙OS发布！OpenHarmony电力专委会副会长润和软件高光亮相
车规级电感的优点和要求
数字电源UCD92xx 输出电压波形的优化
网络故障排查手段总结
模数转换器ADC08D1500的性能特点及应用分析
新型可穿戴设备未来有望用于智能假肢
SMT检测技术简介
python怎么设置循环次数
无线麦克风电路图
C语言中的不完整类型是什么
芯讯通携手通则康威开发5G FWA CPE等多形态数据终端产品
工程师接私活的创业陷阱
2025年AI或将建立新的社会形态 我们也应该积极探索追随潮流
运动耳机选择哪种好，蓝牙耳机运动无线耳机排名
一文读懂交换机/路由器/分线盒的差异
基于现场总线的医院病房全开放分布式的监护系统实现
整机系统的ESD设计分析
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：数字电源环路框图
2.3 非线性增益
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
长安马自达发布＂悦马星空＂用户共创计划
如何真正打造属于VR2．0时代产品，XRSPACE MANOVA VR一体机给你答案
晶体管加偏置的理由
国内首个电力鸿蒙OS发布！OpenHarmony电力专委会副会长润和软件高光亮相
车规级电感的优点和要求
数字电源UCD92xx 输出电压波形的优化
网络故障排查手段总结
模数转换器ADC08D1500的性能特点及应用分析
新型可穿戴设备未来有望用于智能假肢
SMT检测技术简介
python怎么设置循环次数
无线麦克风电路图
C语言中的不完整类型是什么
芯讯通携手通则康威开发5G FWA CPE等多形态数据终端产品
工程师接私活的创业陷阱
2025年AI或将建立新的社会形态 我们也应该积极探索追随潮流
运动耳机选择哪种好，蓝牙耳机运动无线耳机排名
一文读懂交换机/路由器/分线盒的差异
基于现场总线的医院病房全开放分布式的监护系统实现
整机系统的ESD设计分析