數(shù)字電源控制器UCD3138的數(shù)字比較器與ADC的應(yīng)用說明

摘要

數(shù)字電源控制器UCD3138 內(nèi)部集成有 4 個數(shù)字比較器，可以靈活配置其輸入端和參考值。模擬前端（AFE）模塊的絕對值量和EADC 的輸出都可以作為數(shù)字比較器的輸入，因此使用數(shù)字比較器可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的故障響應(yīng)與保護(hù)。UCD3138 內(nèi)部集成有 16 個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），其中名稱為 ADC15 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不對外部開放，可以用來檢測 3 個AFE 模塊中任何一個的 EAP 或 EAN 引腳，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的精確采集，最終可以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的故障響應(yīng)與保護(hù)。

1、UCD3138 的數(shù)字比較器

UCD3138 內(nèi)部集成有4數(shù)字比較器，可以以AFE 的絕對值量或者誤差值為輸入端，靈活配置參考值，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓故障（過壓，欠壓等）的快速響應(yīng)與保護(hù)。

1.1 數(shù)字比較器的硬件電路簡介

圖 1 所示的是UCD3138 芯片內(nèi)部模擬前端（Analog Front End，AFE）的框圖。輸出電壓在分壓后以差分信號的方式進(jìn)入到AFE 模塊，與參考電壓（DAC0 的輸出值）比較后得到誤差信號（模擬量）；該誤差信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量，然后輸入到數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償模塊（Filter）。

Figure 1. UCD3138 AFE 模塊框圖

為豐富應(yīng)用的靈活性，用戶設(shè)置的參考值（數(shù)字量）與EADC 的輸出值（數(shù)字量）相加后生成一個叫做“ 絕對值量（absolute value）” 的數(shù)字信號，可以表征實(shí)際采集到的電壓信息（即Vd 的值）。

UCD3138 的數(shù)字比較器就是以數(shù)字誤差信號（B 點(diǎn)值）或絕對值量（C 點(diǎn)值）作為一個輸入端，參考電壓值（用戶可以自行設(shè)置）為另一個輸入端所組成，觸發(fā)后可以配置其關(guān)斷任何一路DPWM。

UCD3138 中有3 個AFE 模塊，同樣地，也有4 個數(shù)字比較器。

1.2 數(shù)字比較器涉及的關(guān)鍵寄存器

1.2.1 EADC的輸出

EADC 的輸出是參考電壓與輸入模擬量相減后的值在數(shù)字化之后的信息量，即數(shù)字誤差量，其范圍與AFE 自身的增益有直接關(guān)系。例如，當(dāng)增益值設(shè)置為1 時，其輸出范圍是+248~-256；而增益設(shè)置為8 時，輸出范圍是+31~-32.

寄存器EADCRAWVALUE 的第0~8 位（共9bit，名稱為RAW_ERROR_VALUE）保存的即為EADC 的輸出，分辨率為1mV/bit。

1.2.2 DAC的輸入

DAC 的輸出即為系統(tǒng)的參考電壓。在UCD3138 的實(shí)際應(yīng)用中，用戶可以設(shè)置DAC 的輸入值，為數(shù)字信號量。寄存器EADCDAC 的第4~13 位（共10bit，名稱為DAC_VALUE）保存了用戶的設(shè)置值。分辨率為1.5625mV/bit。

1.2.3 絕對值量

寄存器 EADCVALUE 的第16~25 位（共10bit，名稱為ABS_VALUE）保存的就是絕對值量，分辨率為1.5625mV/bit。

上文提到，絕對值量是EADC 的輸出信息與DAC 的輸入信息相加得到的，但并不是二者數(shù)字量的直接相加，因?yàn)槠浞直媛什煌Ｊ聦?shí)上，上述三個數(shù)字量所各自表征的模擬量存在等式關(guān)系。

例如，某條件下，EADC 的輸出（ERROR_VALUE）為192；DAC 的輸入為747；絕對值量(ABS_VALUE)為624，如下圖2 所示。

Figure 2. Memory Debugger 中讀取到的寄存器值

顯然，747-624=123≠ 192。但是，各自的模擬量則滿足等式關(guān)系，如下：

? EADC 的輸出192 對應(yīng)的模擬量為192×1mV/bit=192mV；

? DAC 的輸入747 對應(yīng)的模擬量為 747×1.5625mV/bit=1167.1875mV；

? 絕對值量624 對應(yīng)的模擬量為 624×1.5625mV/bit=975mV；

◎ 最終，1167.1875-975=192.1875≈ 192.

或者，三個數(shù)字量可以在增加衰減系數(shù)后存在如下等式關(guān)系：

1.3 數(shù)字比較器的軟件配置

在程序初始化階段，可以完成對數(shù)字比較器的配置。以配置數(shù)字比較器0 為例，主要代碼如下：

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.CNT_THRESH = 1;

上述代碼配置只需觸發(fā)一次數(shù)字比較器就會產(chǎn)生一個fault。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.FE_SEL = 0;

上述代碼配置數(shù)字比較器的輸入為AFE0 的絕對值量。也可以配置為EADC 的輸出。另外，其余兩個AFE 的絕對值量和EADC 的輸出也可以配置為數(shù)字比較器0 的輸入。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.COMP_POL = 1;

上述代碼配置為數(shù)字比較器的輸入高于參考量后才會觸發(fā)。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.THRESH = 850;

參考量設(shè)置為850。如果輸入量選擇為絕對值量，則當(dāng)Vd 電壓大于850×1.5625mV/bit =1.33V 時便會觸發(fā)數(shù)字比較器。

FaultMuxRegs.DPWM0FLTABDET.bit.DCOMP0_EN=1;

上面代碼配置為，數(shù)字比較器觸發(fā)后立即關(guān)斷DPWM0A 和DPWM0B。

1.4 數(shù)字比較器的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

實(shí)際調(diào)試時，圖1 的Vd 處外接一個可調(diào)電壓，并由0V 慢慢增大?？梢杂^察到，當(dāng)電壓超過1.33V 后，驅(qū)動信號便立即被關(guān)閉，符合預(yù)期，如下圖3（CH3 為Vd 電壓，CH2 為DPWM0B）。

Figure 3. 數(shù)字比較器觸發(fā)后關(guān)閉DPWM0B

1.5 數(shù)字比較器的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

實(shí)際應(yīng)用中需要注意EADC 的飽和問題。

上文1.2 節(jié)提到，EADC 的輸出有一定的范圍，當(dāng)輸入過大或過小時，EADC 的輸出會固定在其上限或下限，此時便是EADC 處于了飽和狀態(tài)。仍以上面提到的實(shí)驗(yàn)為背景進(jìn)行說明，其中AFE的增益設(shè)置為1。

當(dāng) Vd 電壓為554mV 時，絕對值量預(yù)計為355（因?yàn)?54/1.5625≈ 355），EADC 的輸出預(yù)計為613（參考1.2 節(jié)最后的等式）。而實(shí)際讀取發(fā)現(xiàn)，絕對值量為588，EADC 的輸出為248，這與設(shè)想完全不同。分析原因可知，此時EADC 已經(jīng)處于了正向飽和，輸出的上限為248。

Figure 4. EADC 正向飽和

同樣地，當(dāng) Vd 電壓為1.64V 時，絕對值量預(yù)計為1050（因?yàn)?640/1.5625≈ 1050），EADC 的輸出預(yù)計為-473（參考1.2 節(jié)最后的等式）。而實(shí)際讀取發(fā)現(xiàn)，絕對值量為911，EADC 的輸出為-256，這與設(shè)想也是完全不同。分析原因亦可知，此時EADC 已經(jīng)處于負(fù)向飽和，輸出的下限為-256。

Figure 5. EADC 負(fù)向飽和

綜合上面分析可知，在DAC 的值固定后，絕對值量存在一個范圍，該范圍與AFE 的增益有直接關(guān)系，如下表所示。

Table 1. 絕對值量范圍和AFE 增益的關(guān)系

AFE Gain

DAC Value

EADC Value

Absolute Value

1

x

+248 to -256

(x-159) to (x+164)

2

x

+124 to -128

(x-79) to (x+82)

4

x

+62 to -64

(x-40) to (x+41)

8

x

+31 to -32

(x-20) to (x+20)

可以觀察到，如果AFE 的增益設(shè)置為8，DAC 的值為747 時，絕對值的范圍是727~767。此時，如果計劃讓數(shù)字比較器在Vd 為1.33V 時觸發(fā)，則其參考值需要設(shè)置為850。然而，數(shù)字比較器的另一端（輸入為絕對值）最大僅為767，因此數(shù)字比較器將沒有機(jī)會被觸發(fā)。

實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)置數(shù)字比較器的參考值時需要考慮AFE 的增益，以防止因EADC 提前飽和導(dǎo)致其輸出被鉗制而無法觸發(fā)數(shù)字比較器。

2、UCD3138 的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC15

UCD3138 芯片內(nèi)部共有16 個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中ADC15 可以在芯片內(nèi)部連接到AFE 模塊的EAP或EAN 引腳。實(shí)際應(yīng)用中，ADC15 可以用來檢測系統(tǒng)的反饋電壓，在軟件中可以還原出實(shí)際的輸出電壓。

2.1 ADC15 的配置

UCD3138 芯片內(nèi)部的ADC15 可以連接到任意一個AFE 模塊的EAP 或EAN 引腳，完成模擬信號的數(shù)字化。在應(yīng)用時，與其它ADC 的配置方式非常相似，唯一的差別是需要配置ADC15 到指定的AFE。

下面三行代碼是完成ADC15 與AFE 的關(guān)聯(lián)。其中，AFE_MUX_CH_SEL 為1 是指ADC15 連接到AFE0；AFE_VIN_MUX 為0 是指ADC15 連接到EAP 引腳。

MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_MUX_SEL=3;

MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_VIN_MUX=0;

MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_MUX_CH_SEL=1;

綜合上述配置，ADC15 是連接到了AFE0 的EAP 引腳，即可以檢測圖1 中的Vd 電壓。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖 4，當(dāng)Vd 為554mV 時，ADC15 的結(jié)果（adc_values.Vout）為902。二者近似符合下面的等式：

如圖5，當(dāng)Vd 為1.64V 時，ADC15 的結(jié)果（adc_values.Vout）為2681。二者近似符合下面的等式：

上述物理值與數(shù)字量之間的差別，主要是測量誤差導(dǎo)致。

3、UCD3138 的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC15

UCD3138 芯片內(nèi)部的數(shù)字比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC15 都可以用來處理與輸出電壓相關(guān)的工作。

其中，數(shù)字比較器配置之后可以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓過壓或欠壓等的快速響應(yīng)與保護(hù)；ADC15 配置之后可以精確的采集輸出電壓信息，然后借助軟件設(shè)計同樣可以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的故障保護(hù)。

4、參考文獻(xiàn)

1. UCD3138 datasheet, Texas Instruments Inc.

2. UCD31xx Fusion Digital Power Peripherals Programmer’s Manual, Texas Instruments Inc.

3. UCD31xx Miscellaneous Analog Control _MAC_, Texas Instruments Inc.