一種數(shù)字模塊電源實(shí)現(xiàn)模擬trim功能的方法

尹利文

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

一種數(shù)字模塊電源實(shí)現(xiàn)模擬trim功能的方法

尹利文

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

數(shù)字模塊電源和模擬模塊電源的trim功能的實(shí)現(xiàn)方法是完全不同的，在客戶實(shí)際應(yīng)用中難以兼容。基于使數(shù)字trim兼容模擬trim的目的，在分析模擬硬件trim實(shí)現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了一種檢測trim比例的硬件電路，結(jié)合數(shù)字控制的特點(diǎn)，給出了對應(yīng)的軟件算法。通過軟硬件結(jié)合，在以UCD3138數(shù)字控制器為核心的一個12 V輸出模塊電源上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，數(shù)字trim方法實(shí)現(xiàn)了對模擬trim功能的完全兼容。

數(shù)字模塊電源；trim電路；trim算法

模塊電源[1]由于輸出電壓值選擇有限，通常具有一定的電壓調(diào)整功能。該功能通過一個標(biāo)記為TRIM或ADJ的專用引腳實(shí)現(xiàn),使得用戶應(yīng)用更為靈活。目前傳統(tǒng)的模塊電源仍然以模擬電源為主[2]，用模擬電路實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓(trim)的功能。而數(shù)字模塊電源則由通訊協(xié)議，如PMBUS(Power Management Bus)協(xié)議[3]將電源trim范圍內(nèi)的某一需要的電壓值寫入數(shù)字電源模塊[4]。由此可見，模擬模塊電源和數(shù)字模塊電源的trim功能實(shí)現(xiàn)方法完全不同，不能兼容。然而隨著數(shù)字模塊電源的應(yīng)用普及[5]，目前市場上模擬電源與數(shù)字電源共存兼容的需求越來越明顯[6]。本文介紹了一種數(shù)字trim的實(shí)現(xiàn)方法，解決了數(shù)字模塊電源在外特性上兼容模擬模塊電源trim功能的問題。

1 傳統(tǒng)trim功能的實(shí)現(xiàn)方法

通訊模塊電源通常以額定輸出電壓為基準(zhǔn)，允許電壓上調(diào)(trim up)10%或下調(diào)(trim down)20%。模擬模塊電源的trim功能實(shí)現(xiàn)簡單，只需要一顆外部電阻即可進(jìn)行輸出電壓的設(shè)定。圖1為模擬模塊電源實(shí)現(xiàn)trim功能的典型硬件電路。

圖1 電壓調(diào)整功能的典型電路

在圖1所示電路圖中，基準(zhǔn)電壓源U1，為運(yùn)放 提供參考電壓。電阻R4和R2從5 V電源為U1提供偏置電壓。電容C1、C7和電阻R3既濾波又設(shè)定輸出電壓建立時間,實(shí)現(xiàn)軟啟動[7]。R3、R8、U1和外部trim電阻構(gòu)成trim電路。模塊輸出電壓通過該電路改變運(yùn)放U2的參考電壓來達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。

2 數(shù)字trim的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 實(shí)現(xiàn)原理

在圖1中，記U1電壓為Vref;模塊額定輸出電壓為Vnom;模塊實(shí)際輸出電壓為Vtrim;C1電壓為Vc1，模塊外部trim電阻為Rtrim;調(diào)整輸出電壓變化率為Δ，則根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律可得以下方程組，其中所有電阻單位為千歐(kΩ)，電壓單位為伏特(V)。

電壓下調(diào)(trim down)方程組為

化簡為

(1)

根據(jù)式(1)，設(shè)R3、R8為5.11 kΩ，Vref為1.2 V，Vnom為12 V。若要獲得trim down 20%的輸出電壓，則Δ為0.2，即Vtrim為9.6 V，可得Rtrim為15.33 kΩ。

電壓上調(diào)(trim up)方程組為

化簡為

(2)

根據(jù)式(2)，若要獲得trim up 10%的輸出電壓，則Δ為0.1，即Vtrim為13.2 V，可得Rtrim為500.78 kΩ。

從計算式(1)和式(2)可知，在R3、R8、Vref與Vnom固定已知的條件下，Rtrim唯一取決于Δ。若數(shù)字控制器能夠?qū)崟r的檢測到電壓變化的數(shù)字量，進(jìn)而及時調(diào)整內(nèi)部參考電壓的數(shù)字量，即可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。

2.2 硬件電路設(shè)計

在實(shí)際中Δ不方便直接測出，可利用圖2所示的硬件電路通過軟件運(yùn)算后間接獲得。

圖2 實(shí)現(xiàn)數(shù)字TRIM的硬件電路

記圖2中U3電壓數(shù)字量為Vref，模塊額定輸出電壓數(shù)字量為Vnom，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣到trim電壓數(shù)字量為Vadc，則電壓變化量的數(shù)字量Δ可由式(3)得到，進(jìn)而可得數(shù)字控制器的參考電壓數(shù)字量Vtrim可由式(4)得到

(3)

Vtrim=Vnom×(1+Δ)

(4)

若反向計算Rtrim值時，圖2所示的電阻R1、R9分別對應(yīng)上圖1的電阻R3與R8，則數(shù)字方式Rtrim的計算公式將和模擬方式的計算公式完全一致。

2.3 軟件程序設(shè)計

根據(jù)電源的應(yīng)用特點(diǎn)，數(shù)字電源在軟件中適合采用狀態(tài)機(jī)的方式進(jìn)行管理[8]，可靈活快捷的實(shí)現(xiàn)各種功能和處理各種故障[9]。圖3顯示了5種基本的狀態(tài)機(jī)及作用階段，從狀態(tài)1到狀態(tài)5依次為空閑、預(yù)偏置電壓計算、電壓爬升、電壓穩(wěn)態(tài)調(diào)整、關(guān)閉輸出。

圖3 軟件基本狀態(tài)機(jī)

在數(shù)字控制器的程序里設(shè)置每100 進(jìn)一次中斷，獲得一次trim電壓的檢測值[10]。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)值具有一定的波動性[11]，直接使用會導(dǎo)致運(yùn)算后的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)數(shù)值跟著產(chǎn)生波動，進(jìn)而使輸出電壓出現(xiàn)波動。雖通過數(shù)字濾波算法[12]可減少波動，但在此種應(yīng)用條件下卻是不適合的，尤其是在電壓爬升階段。因?yàn)闉V波算法通常需要多次的檢測值，降低了trim電壓響應(yīng)速度，延長了電壓的建立時間?？紤]通過檢測相鄰兩次電壓值數(shù)字量的變化值的大小來區(qū)分調(diào)整階段和非調(diào)整狀態(tài)。當(dāng)變化值超出設(shè)定的死區(qū)范圍時，認(rèn)為采樣到的電壓有效，進(jìn)入輸出電壓調(diào)整階段；而當(dāng)小于設(shè)定的死區(qū)范圍時，認(rèn)為采樣到的電壓無效，進(jìn)入非輸出電壓調(diào)整階段。圖4為電壓爬升(狀態(tài)3)和電壓穩(wěn)態(tài)調(diào)整(狀態(tài)4)狀態(tài)機(jī)對應(yīng)的trim算法流程圖。

為了減小輸出紋波電壓和動態(tài)負(fù)載時對trim電壓的影響，需要適當(dāng)加大圖2中C2的電容量去抑制動態(tài)電壓波形對采樣值的影響[13]。若C2的電容量過大，亦會增大輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間。實(shí)際中可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折中，本文中選擇1 μF電容。

此外，由于電壓參考值引入了外部噪聲，會對沒有外接trim電阻時的輸出電壓值產(chǎn)生附加的干擾，導(dǎo)致此時的輸出電壓精度變差。解決的一種方法是在輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的某一個時間點(diǎn)進(jìn)行一次電壓補(bǔ)償。具體為在該時間點(diǎn)檢測trim電壓，判斷其值是否是在沒有trim電阻時的正常范圍。若在正常范圍則賦給電壓參考值一個固定值；若超范圍則不進(jìn)行補(bǔ)償操作。

圖4 數(shù)字trim算法流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)以一個輸入電壓36～75 V，輸出電壓12 V，輸出功率600 W的標(biāo)準(zhǔn)1/4轉(zhuǎn)數(shù)字通訊電源模塊為實(shí)驗(yàn)平臺。該數(shù)字電源的數(shù)字控制芯片采用美國德州儀器(Texas Instruments,TI)的UCD3138[14]，其內(nèi)核為32位的ARM7，片上集成了一個多通道的12位ADC，滿量程為2.5 V[15]。實(shí)驗(yàn)測試的trim電阻用精度為1%的可變電阻箱替代。表1和表2為trim輸出電壓精度測試的誤差結(jié)果。該測試條件為25 ℃環(huán)境溫度，48 V輸入電壓，空載，接好trim電阻后再由使能開關(guān)控制引腳開機(jī)后記錄輸出電壓值。

表1 TRIM UP精度測試誤差表

表2 TRIM DOWN精度測試誤差表

從測試結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，該數(shù)字trim方式的最大輸出誤差均未超過±0.06 V，兼容同規(guī)格12 V輸出的傳統(tǒng)模擬電源模塊的精度要求。此外trim down的輸出電壓誤差最大0.026 V，明顯

4 結(jié)束語

上文所述之方法通過軟硬件的協(xié)同作用，使數(shù)字模塊電源實(shí)現(xiàn)了模擬trim的功能。該功能的性能在實(shí)驗(yàn)板上得以驗(yàn)證，在動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性及精度上與模擬電源的trim功能基本一致，達(dá)到了兼容的設(shè)計目的，進(jìn)一步提高了數(shù)字電源對模擬電源的競爭力。此外，由于這種方法對數(shù)字控制器的計算速度和硬件資源要求較低，因而具有廣泛的適用性。

為了實(shí)現(xiàn)更高的精度，軟件上可增加分段補(bǔ)償算法，而硬件上可以選擇更高精度的A/D轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)源和電阻。

[1] 佚名.模塊電源的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2007(6):97-101,117.

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[7] 張杰,殷亮,潘姚華,等.采用有限狀態(tài)機(jī)控制的升降壓雙通路高效率電荷泵[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2010,30(2):262-268.

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[13] TI.UCD3138 data manual[M].USA:Texas Instruments Corporation,2013.

[14] TI.UCD3138 monitoring and communications programmer’s manual[M].USA:Texas Instruments Corporation,2013.

A Realization Method of Analog Trim Function on Digital Power Supply Module

YIN Liwen

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The realization method of trim function on analog power supply module and digital module are absolutely different and nearly incompatible in customer application. To get digital trim function compatibility with analog type, firstly analyze the principle of analog hardware trim function, then derive a hardware circuit to detect trim proportion, and finally give out a software algorithm considering digital control features. With combination of hardware and software, the verification experiment worked on the platform of a 12 output digital power supply module with UCD3138 as core digital controller shows that new digital trim method realize compatibility with traditional analog method completely.

digital power supply module; trim circuit; trim algorithm

2016- 04- 15

尹利文(1988-)，男，碩士，工程師。研究方向：數(shù)字控制電源軟件設(shè)計等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.046

TN86

A

1007-7820(2017)03-167-04