概括
本文引用地址：
基于非隔离数字电源系统由控制芯片和功率级芯片组成。功率级芯片由驱动器和电源组成，包括独立的驱动器（如），或集成的功率级芯片（如等）。反馈回路可通过配套的在线工具Power在线调节，提高回路调节效率。本文演示了如何在基于求和的数字电源板上在线调整环路。
1、简介
设计非隔离式数字电源根据需要首先选择合适的控制芯片和功率级芯片。选择功率级芯片时，由于内部集成了驱动和BUCK上下管，只需要在外围增加电感和输出电容即可。然后可以使用在线软件工具配置和调整整个电力系统。
1.1 数字电源控制器
它是一款内部集成ARM7内核的非隔离数字电源控制器，可灵活配置为多通道或多相模式。例如，可配置为双通道输出或单通道四相并联输出。图1为内部框图，关键模块包括：
● 电源：包括输出电压误差的采集、环路补偿和DPWM输出等；
● ADC采样模块：包含10个ADC接口，用于采集外部信息（如温度、电流）和内部信息（温度）；
● 模块：包含三个模拟比较器，完成对过流等故障的快速保护；
● ARM-7模块：包括ARM-7内核、Flash和晶振等；
● PMBUS模块：通讯接口，用于与上位机通讯；
● 其他：包括SRE控制等模块，用于控制buck运行在同步整流还是非同步整流模式；
620)this.width=620;"src=""alt="内部框图"/>
1.2功率级芯片
是集成了驱动和BUCK上下管的功率级芯片。最大输出电流为 25A。内部框图如图2所示。该芯片还具有电流检测和上报（给定）、过流保护（输出电流过流保护和BUCK上管过流保护）、欠压保护等功能。电压保护、过温保护和故障报告功能（通过FLT引脚）等。
1.3 在线调试软件Power
TI 提供了一个与之配套的在线工具集：Power，包括模式和模式。模式用于离线配置，而模式可以在线配置和监控。本文介绍的在线环路调整使用的是模式软件。图 3、4、5 和 6 显示了软件工具的四个主要功能模块。
● 配置：如图3所示，实现输出电压幅值、过压/欠压点、上下电斜率、输出过流点等配置；
● 设计：如图4所示，客户选择主要功率器件和外围器件的参数，然后Power实现数字功率回路的配置和仿真；
● 监控：如图5所示，在线实时监控输出电流/电压、输入电压等；
● 状态：如图6所示，记录数字电源的各种故障，如过压、过流、欠压等，便于故障定位。
620)this.width=620;" src="" alt="在线工具" />
1.4 演示环路调试的数字电源板
本文实际演示了基于和的数字电源板上的环路调试，包括相应的测量波形。电源的系统框图如图 7 所示，其中包括四个具有交错并行模式输出的功率级。系统规格为：输入电压12V，输出电压1.0V，最大输出电流80A。
620)this.width=620;" src="" alt="数字电源框图" />
2、loop在线调试详情
借助Power-工具可以完成环路的配置和仿真，然后根据实际测量结果进行微调，最终在整个过程中无需调试硬件即可得到理想的环路配置。
2.1 输入功率级参数
图3的设计界面中有一个“Edit Full Power Stage in”按钮，点击后会弹出界面8。在这个窗口中，用户需要输入实际的硬件参数值，包括电感（和 DCR）、电容、反馈电阻等。
上面输入的这些参数是用来完成整个闭环回路的仿真和仿真。因此，当输入参数与实际参数更加一致时，仿真得到的回路参数与实际更加一致。
输入完成后可以保存退出。
620)this.width=620;" src="" alt="输入功率等级参数" />
2.2 使用自动调谐功能
输入参数后，即可开始回路的补偿和配置。首先，您可以使用 Auto Tune 功能，这也是配置环路的最简单方法。即点击“Mode”中的“Auto Tune”，则图9中上区域会显示配置的环路参数：截止频率19.05kHz，相位裕度64.32°，增益余量 15.16dB。此功能使用客户输入的硬件参数以及相位增益要求，自动配置环路补偿。使用此功能后，Power 会自动配置回路补偿，客户无法更改回路配置。
图9右侧区域是根据当前配置的loop参数模拟动力学的结果。动态条件可自行输入，最终动态纹波峰峰值显示在右上方区域。
如果对仿真得到的环路参数和峰峰值动态纹波满意，可以保留当前参数。循环调整完成。
620)this.width=620;" src="" alt="函数" />
2.3 手动优化参数配置
如果使用Auto Tune得到的参数不理想或者想进一步优化，可以点击“Mode”中的“”，然后通过调整和Non-得到更理想的环路配置。
1. 的调试方法
图 10 显示了某个循环配置的结果，并且未启用 Non- 功能。可以观察到它的截止频率是1.27K。此时被测动态波形（测试条件：20A~40A~20A，斜率2.5A/us）峰峰值为159mV，超过了要求的100mV指标。
还可以观察到动态波形的恢复时间也超过了要求的范围。这是因为过大的峰峰值动态纹波导致 EADC 输出饱和，其输出值被钳位到一个固定值（这个值与 AFE 的增益有关）。)，因此环路补偿电路只能根据饱和值（小于实际输出值）进行补偿，这带来了较长的恢复时间。恢复时间长的根本原因是峰峰值动态纹波过大。
620)this.width=620;" src="" alt="带宽太低，导致动态响应差" />
将通过调整低频增益、第一个零点、第二个零点和第二个极点来优化上述不太理想的环路。
手动调整前，需要选择调整方式。目前有三个选项可用： 1)Real Zeros 模式；2) 归零模式；3)PID 模式。其中，Real Zeros模式是最接近常规模拟电源的环路调整方式，以下主要针对这种方式进行介绍。
1) 调整低频增益
看图10的波特图，电源支路的双极点位于6KHz左右，环路的两个零点为4KHz（Fz1)和13.94KHz（Fz2)，但是两个零点的位置在截止频率的右侧，所以零点对截止频率的贡献很小，可以尝试增加低频增益。
K代表低频增益。将K值从原来的61.1dB修改为72dB后，截止频率变为10.41KHz，提升明显，位于两个零点之间。增益裕度和相位裕度也满足环路稳定性准则的要求。
620)this.width=620;" src="" alt="调整低频增益实际效果" />
2) 调整第一个和第二个零点
第一个零是 4KHz，在双极的左侧。即环路增益由第一个零增强，然后由双极点减弱。因此，此时将第一个零点右移会降低截止频率，相位裕度也会降低；否则，截止频率和相位裕度将继续增加。例如，当第一个零修改为5Khz时，截止频率降低到9.29KHz，相位裕度降低到89.2°。
620)this.width=620;" src="" alt="调整第一个零点的实际效果" />
第二个零是 14KHz，在双极的右侧，接近截止频率。因此，当零点左移时，原截止频率处的环路增益增强，截止频率变大。第二个零点处的相位会被提升，当截止频率越来越大，越来越接近第二个零点时，相位裕度也会变大。例如，将第二个零点修改为11KHz后，截止频率增加到9.87KHz，相位裕度增加到94.68°。
620)this.width=620;" src="" alt="调整第二个零点的实际效果" />
3) 调整第二极
查看图 13 中的波特图，增益裕度对应的频率为 ，第一个极点的位置为 119.9KHz。因此，如果要进一步增加增益余量，可以将第一极向左移动。此时，到达该区域后增益会下降更多，增益裕度会增加。
620)this.width=620;" src="" alt="调整第二极的实际效果" />
至此，低频增益、零点和极点已经调整完毕。使用电流环参数测试的动态波形如图15所示，可以观察到动态纹波峰峰值降低到90mV，达到指标要求。
620)this.width=620;" src="" alt="线性补偿调整及测量波形" />
2、使用非
非线性补偿的原理是在环路补偿环节加入非线性控制，进一步控制大信号响应。即当输入到环路的误差超过一定范围时，可以使用较大的增益值，这样可以有效降低动态波形的峰峰值而不影响正常工作时的环路标记。
以图16为例，当误差量在与之间时，环路增益值为1.25；当超过/2但超过/3时，增益值为1.75；当超过/3后电源控制器，增益值为2.25。同时可以观察到，启用非线性补偿后环路的截止频率、增益裕度和相位裕度与未使用非线性补偿前相同。
上面提到的数值是指EADC的输出（是没有单位的纯数值）。EADC 将参考电压和输出电压 (Vref-Vout) 之间的差值转换为数字化信号。因此，超过/3的值表示输出电压低于参考电压，这对应于输出电流跳升的动态响应。低于/0的值表示输出电压高于参考电压，对应于输出电流跳降的动态响应。最后，动态纹波峰峰值降低到74mV，比没有非线性补偿的情况小20%左右。
620)this.width=620;" src="" alt="非线性增益调整与实测波形" />
2.4 调试后循环参数保存并生效
循环参数确定后，点击“写入”按钮保存当前参数。此时会弹出一个新窗口，显示用户刚刚编辑的数据（ ）和实际写入芯片的数据（ 新建 ）。两者的细微差别主要是由于模数转换中的量化误差。
620)this.width=620;" src="" alt="保存数据并生效" />
虽然将“New”对应的数据写入芯片。但需要注意的是，此时实际使用的循环参数并非上述数据。只有点击“CLA Bank”按钮时电源控制器，才会使用“新建”对应的数据。
3、软启动阶段对应的循环调试
环路补偿电路对应的参数有2组，分别用于输出电压软启动阶段和输出电压正常工作时，给应用带来了很大的灵活性。通常，软启动阶段的环路响应可以比正常运行时稍慢，以防止启动过程中出现过冲等问题。
图 18 显示了软启动阶段的环路配置，类似于正常运行期间的环路配置。应注意以下几点：
1. 正常运行时尽量保证零极位置与回路零极位置一致；
2. 可以通过将AFE 的增益更改为2X 或将Non- 的中间增益更改为0.75 来降低环路带宽；
620)this.width=620;" src="" alt="软启动相位环路调整" />
