数字电源UCD92xx的输出电压波形优化与分析

图5所示的是数字电源的环路框图。其中，e_n是误差放大器的输出，为数字信号；y_n是环路的输出，亦为数字信号，输入到PWM模块。K_NLR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K_NLR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100μs，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：

V_start=V_in×DRIVER_MIN_PULSE × F_sw

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