基于數字電源控制器UCD3138的一種新的輸入電流檢測方法(一)

1 引言

1.1 數字電源控制器UCD3138 的應用

數字電源控制器UCD3138 因其自身所具備的良好的前饋功能，通信功能和可編程性等特點(diǎn)，在DC/DC 電源中通常置于副邊側。常見(jiàn)的拓撲方案包括全橋，半橋和LLC 等。圖1 所示的是應用數字電源(控制器)UCD3138 的硬開(kāi)關(guān)全橋系統框圖。UCD3138 位于副邊側，通過(guò)數字隔離器ISO7420CF完成驅動(dòng)信號向原邊側的傳遞。

Figure 1. 硬開(kāi)關(guān)全橋系統框圖

1.2 隔離電源拓撲中的電流互感器

圖2 所示的是應用于全橋等拓撲中的電流互感器。其原邊側串入主功率回路，副邊側將按比例(比例系數為互感器的匝比T)衰減后的電流信息通過(guò)與采樣電阻相乘得電壓信息。位于副邊側的控制器UCD3138 通過(guò)讀取該電壓信息，可以完成逐周期保護等功能。

互感器副邊側輸出電壓：VT =(Iin÷T)×Rs

Figure 2. 電流互感器應用電路

1.3 輸入電流檢測的原理

圖3 所示意的是電流互感器副邊側輸出端的電壓信號。上下兩組波形是在輸入電壓不同時(shí)所對應的輸出。在輸出功率確定后，隨著(zhù)輸入電壓變高，梯形波的上升沿將變陡，其平均值將變低。

Figure 3. 電流互感器輸出信號

電流互感器輸出端的信號平均值與系統輸入電流的平均值成近似比例關(guān)系，因此可以通過(guò)讀取電流互感器輸出端的平均值來(lái)推算輸入電流。

2 UCD3138 的AFE 模塊和Filter 模塊

2.1 模塊功能概述

UCD3138 的AFE 和Filter 用來(lái)完成對輸出電壓誤差的采集，轉換和環(huán)路計算，輸出的數據進(jìn)入到DPWM模塊，最終生成合適的占空比。如圖4 所示。

Figure 4. UCD3138 的AFE 和Filter

在實(shí)際應用中，可以用AFE 和Filter 來(lái)采集電流互感器輸出端的信號，并最終計算出其平均值。該功能的實(shí)現依賴(lài)于A(yíng)FE 和Filter 所具備的如下特點(diǎn)：

1) AFE 中的EADC 具備oversample 功能，可以在一個(gè)周期內采集1,2,4,8 個(gè)樣本;

2) AFE 對EADC 輸出的數據可以進(jìn)行平均(averaging)，即可以對連續采集到的2,4,或8 個(gè)數據做累加，然后除于個(gè)數以得到平均值。

3) Filter 是PID 結構，因此可以只使用累加環(huán)節(Integration 支路)，從而可以計算出一段時(shí)間內的累加和。2.2 EADC 的Oversample

DPWM模塊可以在EADC 模塊中產(chǎn)生采樣觸發(fā)信號，使EADC 完成一次采樣。同時(shí)，EADC 還具有多次(2 次，4 次和8 次)采樣的功能。以8 次采樣為例，當EADC 收到DPWM的采樣觸發(fā)信號后， EADC 分別在采樣基準的1/8 處，2/8 處，3/8 處，4/8 處，5/8 處，6/8 處，7/8 處和采樣基準處完成8 次采樣，如圖5 所示。

Figure 5. EADC 的Oversample

2.3 EADC 的averaging

EADC 提供了兩種數據平均方式，分別是 連續方式(consecutive mode)平均和空間方式(spatialmode)平均。圖6 示意的如何對數據進(jìn)行連續方式平均。其原理就是對連續采樣的2,4 或8 個(gè)數據進(jìn)行累加，然后除于累加的個(gè)數，便得到了平均值。

計算后的平均值將送入到Filter 環(huán)節。

Figure 6. EADC 的Oversample

2.4 UCD3138 的Filter

圖7 是UCD3138 的filter，基于PID 結構。當只使用I 支路(即累加環(huán)節)，可以對Xn 數據進(jìn)行不斷的累加，累加的結果存儲在KI_YN 寄存器中。而Xn 數據就是來(lái)自EADC 的輸出。

Figure 7. UCD3138 的Filter 結構

2.5 全流程數據處理

當oversample 配置為8 次，EADC 的平均次數配置為2 次，在2 個(gè)周期的時(shí)間內KI_YN 寄存器得到的數據如下圖8 所示：

1) 每個(gè)周期采樣8 個(gè)樣本，故2 個(gè)周期共采集16 個(gè);

2) 每2 個(gè)樣本進(jìn)行平均，平均后的數據進(jìn)入到累加環(huán)節;

3) 在2 個(gè)周期內，KI_YN 寄存器中總共存儲有8×2=16 個(gè)樣本的累加和;

Figure 8. 全流程數據處理