摘要

    UCD9224 可以與UCD7232 配合設(shè)計(jì)非隔離數(shù)字電源,。在某項(xiàng)目中,，采用1 片UCD9224 與4 片UCD7232 設(shè)計(jì)了四相交錯并聯(lián)輸出的數(shù)字電源,，輸出規(guī)格為1.0V/80A,。在測試中發(fā)現(xiàn),，關(guān)機(jī)時輸出電壓存在嚴(yán)重的負(fù)過沖,，幅值可達(dá)-380mV。經(jīng)過仔細(xì)定位發(fā)現(xiàn),，引起負(fù)過沖的根因是UCD9224 進(jìn)入reset 模式后,，SRE_1A 和SRE_1B 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)，其電壓有反彈并下降緩慢,?；诖耍赟RE_1A 和SRE_1B 引腳各設(shè)計(jì)一顆下拉電阻,，可以給上述兩個引腳快速放電,，徹底解決負(fù)過沖問題。本文對定位過程給予了詳細(xì)的描述和分析,，并最終給出了結(jié)論,。

1.       數(shù)字電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    某非隔離BUCK數(shù)字電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于數(shù)字控制器UCD9224與驅(qū)動器UCD7232，采用四相并聯(lián)并配置于交錯模式,，輸入電壓為12V,，輸出電壓為1.0V，輸出電流最大為80A,。

1.1 數(shù)字電源系統(tǒng)方框圖

    UCD9224是內(nèi)部集成ARM7核的非隔離數(shù)字電源控制器,，可以靈活的配置為多路或多相模式，并帶有PMBUS接口,。UCD7232則是與UCD9224配合使用的增強(qiáng)型驅(qū)動器,，與UCD9224之間有多個信號的交互，完成驅(qū)動信號接收,，電流采樣,，故障上報(bào)等工作。

圖1所示的是該數(shù)字電源系統(tǒng)的方框圖,，包含有1片UCD9224和4片UCD7232,，以及功率MOSFET，輸出電感和輸出電容等,。該系統(tǒng)有兩個輸入總線,，分別是3.3V和12V，其中3.3V用來給UCD9224供電,，12V輸入到UCD7232和BUCK轉(zhuǎn)換電路,，完成到1.0V的轉(zhuǎn)換。該供電架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的3.3V由12V通過LDO轉(zhuǎn)換得來的設(shè)計(jì),。

圖1：數(shù)字電源系統(tǒng)框圖

1.2 UCD9224與UCD7232的關(guān)鍵信號連接

    UCD9224共有4組關(guān)鍵信號與4片UCD7232連接,，分別完成電壓轉(zhuǎn)換控制，同步整流模式配置和故障上報(bào)等功能,，下面是這些關(guān)鍵信號的簡單介紹：

1）  DPWM：由UCD9224輸出到UCD7232,，是后級BUCK電路的驅(qū)動信號來源,。其中，BUCK上管驅(qū)動信號與DPWM的邏輯相同,，BUCK下管的驅(qū)動信號與DPWM的邏輯相反,。

2）SRE：由UCD9224輸出到UCD7232。當(dāng)UCD7232的SRE_MODE引腳（圖1未示意）上拉至高電平后,，UCD7232被配置為同步整流模式,。當(dāng)SRE為高時，BUCK的下管得到相應(yīng)的驅(qū)動信號,，該驅(qū)動信號由DPWM決定,。當(dāng)SRE為低時，BUCK電路的下管處于關(guān)閉狀態(tài),。

3）FLT：由UCD7232輸出到UCD9224,。當(dāng)UCD7232檢測到欠壓，過流或過溫等故障后,，F(xiàn)LT引腳變?yōu)楦撸琔CD9224識別之后會根據(jù)當(dāng)前配置進(jìn)行相應(yīng)處理,。

4）CS：由UCD7232 的IMON管腳輸出到UCD9224的CS管腳,。該信號為輸出電流采樣信號。

2．輸出電壓的負(fù)過沖

    對該系統(tǒng)做輸入關(guān)機(jī)測試時,，如果只關(guān)閉3.3V,，12V保持不變，發(fā)現(xiàn)輸出電壓有明顯的負(fù)過沖,，幅值超過-300mV,。如圖2所示，關(guān)機(jī)時輸出電壓（1.0V,，CH3）的負(fù)過沖達(dá)到了-380mV,，測試條件為輸出端空載。

3．負(fù)過沖的定位及原因分析

   在定位負(fù)過沖的過程中,，發(fā)現(xiàn)關(guān)機(jī)時BUCK下管的驅(qū)動信號異常,，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)SRE信號異常，最終發(fā)現(xiàn)根因是SRE_1A信號和SRE_1B信號在關(guān)機(jī)過程中有反彈并且下降緩慢,。

3.1  關(guān)機(jī)時BUCK下管驅(qū)動信號異常

   保持輸入電壓12V不變,，當(dāng)關(guān)閉3.3V時，輸出電壓有很大的負(fù)過沖,。在空載輸出時,，輸出端亦有負(fù)過沖，據(jù)此初步判斷BUCK下管可能有長時間導(dǎo)通,，輸出電容電壓通過長時間,。導(dǎo)通的BUCK下管泄放到地,。而實(shí)測試發(fā)現(xiàn)，BUCK下管的確如此,，如圖3,。可以觀察到,，輸出電壓下降后,，BUCK下管的驅(qū)動信號（藍(lán)色線）一直保持為高，時間超過了1s,。而BUCK上管的驅(qū)動信號（藍(lán)色線）在關(guān)機(jī)過程中正常,，如圖4。

圖3：BUCK 下管驅(qū)動信號異常       圖4：BUCK 上管驅(qū)動信號正常

3.2 關(guān)機(jī)時SRE信號異常

   理論分析知,，關(guān)機(jī)時SRE信號會變?yōu)榈碗娖?，BUCK下管的驅(qū)動信號隨之也會變?yōu)榈汀６撾娫聪到y(tǒng)關(guān)機(jī)時BUCK下管的驅(qū)動信號一直保持為高,，懷疑為SRE信號異常,。

    實(shí)測發(fā)現(xiàn)SRE_1B（圖5中的CH1；CH2為SRE_MODE信號,；CH3為輸出電壓）在下降過程中出現(xiàn)了反彈,，然后緩慢下降。而SRE_2A（圖6中的CH1,；CH2為SRE_MODE信號,；CH3為輸出電壓）則沒有反彈，快速下降到0V,。

圖5：SRE_1B 信號異常                  圖6：SRE_2A 信號正常

    進(jìn)一步詳細(xì)測試發(fā)現(xiàn),，SRE_1A與SRE_1B在下降過程中皆有反彈，信號異常,；而SRE_2A與SRE_3A正常,。

3.3   SRE 信號異常的原因分析

    圖7顯示的是SRE_1B（CH3），V33D（CH2,，3.3V）和BPCAP（CH1,，1.8V）在關(guān)機(jī)時的波形?？梢杂^察到,，在SRE_1B出現(xiàn)反彈時，3.3V下降到了2.8V左右,，UCD9224進(jìn)入了reset模式,。

圖7：3.3V 與SRE 信號

    根據(jù)UCD9224芯片的硬件設(shè)計(jì)，其供電電壓下降到2.8V時會處于reset模式,。而其進(jìn)入reset模式后,，SRE_1A引腳和SRE_1B引腳變更為高阻態(tài),，SRE_2A引腳和SRE_3A引腳變?yōu)榈碗娖綉B(tài)（被UCD9224強(qiáng)制拉低到地）。

    同時,，由于UCD7232芯片內(nèi)部對SRE管腳有弱上拉（上拉到3.3V）,，因此，SRE_1A和SRE_1B的電壓信號會出現(xiàn)反彈并下降緩慢,，而SRE_2A和SRE_3A的電壓信號可以迅速下降到0,。

4．解決措施

     考慮到SRE_1A和SRE_1B在UCD9224進(jìn)入reset模式后變?yōu)楦咦钁B(tài)，引腳電壓下降緩慢,，因此可以添加下拉電阻以快速拉低上述引腳的電壓,。下拉電阻的阻值需要小于3.74Kohm，以保證SRE管腳的殘留電壓低于低電平判定閥值0.9V,。

    圖8顯示的是添加兩顆下拉電阻（1Kohm）后的關(guān)機(jī)波形（CH4為SRE_1A,；CH1為SRE_1B；CH3為輸出電壓）,，負(fù)載電流為3A,。可以觀察到,，SRE_1A和SRE_1B在關(guān)機(jī)過程中沒有反彈,，而是快速下降到0V。因此,，輸出電容只通過負(fù)載放電，沒有負(fù)過沖,。

圖8添加下拉電阻后的關(guān)機(jī)波形圖    圖9空載關(guān)機(jī)時的輸出電壓波形

5．常規(guī)供電設(shè)計(jì)的輸出電壓負(fù)過沖

    上述電源系統(tǒng)的特殊之處在于采用了3.3V和12V分開的供電架構(gòu),。在該應(yīng)用中，當(dāng)關(guān)閉3.3V后,，12V還處于穩(wěn)定狀態(tài),，即SRE_1A和SRE_1B進(jìn)入高阻態(tài)后，UCD7232還正常工作,，這讓BUCK下管長時間導(dǎo)通成為了可能,。然而，在采用常規(guī)供電設(shè)計(jì)時,，同樣會存在負(fù)過沖的異常情形,。

5.1   常規(guī)供電設(shè)計(jì)及輸出電壓的負(fù)過沖

  常規(guī)供電架構(gòu)的設(shè)計(jì)為3.3V通過LDO由12V轉(zhuǎn)換得來，因此整個電源系統(tǒng)的輸入電壓只有12V,。圖10顯示的即為采用常規(guī)供電架構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字電源系統(tǒng)框圖（局部）,。

    圖9顯示的是關(guān)閉12V時的關(guān)機(jī)波形（CH1為輸出電壓，CH3為SRE_1B）,，輸出端空載,?？梢杂^察到，當(dāng)關(guān)機(jī)動作發(fā)生后（對應(yīng)于SRE_1B下降到0的時刻）,，由于是空載,，輸出電壓幾乎保持不變；經(jīng)過大約2.8ms后,，SRE_1B又上升,，此時，輸出電壓快速下降到0V,，并伴隨有負(fù)過沖,。

圖10：常規(guī)供電架構(gòu)設(shè)計(jì)（局部）

5.2  輸出電壓的負(fù)過沖分析及結(jié)論

    基于本文之前的分析，懷疑圖9中SRE_1B下降到0之后的上升依然是因?yàn)閁CD9224 進(jìn)入reset模式而使SRE_1B變?yōu)楦咦鑼?dǎo)致,?；诖耍归_測試與分析,。

    圖11測試了關(guān)機(jī)時12V（CH3）,，SRE_1B（CH4）和SRE_2A（CH1）的波形?？梢杂^察到,，SRE_1B再次變?yōu)楦叩臅r刻，SRE_2A依然保持為低,。

   圖12測試了關(guān)機(jī)時V33D（CH4,，3.3V），BPCAP（CH1,，1.8V）和SRE_1B（CH3）的波形,。可以觀察到SRE_1B再次變高的時刻,，UCD9224的3.3V下降到了2.6V左右,，芯片處于reset 模式。

    綜合上述信息可知,，常規(guī)供電架構(gòu)設(shè)計(jì)中,，空載關(guān)機(jī)時的輸出電壓負(fù)過沖依然是由于SRE_1A和SRE_1B進(jìn)入了高阻態(tài)導(dǎo)致。為消除該負(fù)過沖,，同樣可以在SRE_1A和SRE_1B引腳添加下拉電阻來完成,。

圖11SRE_1B和SRE_2A引腳的波形   圖12SRE_1B，3.3V和1.8V的波形

5.3   其它規(guī)避措施

    在關(guān)機(jī)動作發(fā)生后,，12V電壓逐漸下降,，會首先觸發(fā)欠壓保護(hù)（欠壓保護(hù)點(diǎn)由軟件設(shè)置），系統(tǒng)關(guān)機(jī),，DPWM和SRE被拉低,，輸出關(guān)閉,；隨著12V的繼續(xù)下降，觸發(fā)UCD7232的欠壓保護(hù),，F(xiàn)LT引腳變?yōu)楦?，并上?bào)給UCD9224。圖13完整的顯示了上述過程,。（圖13的CH4為3.3V電壓波形,，CH3為SRE_1B引腳信號，CH1為FLT引腳信號）

    由該波形可知,，SRE_1B再次上升時,，由于UCD7232還處于正常工作狀態(tài)（FLT還為低），因此BUCK下管可以正常導(dǎo)通,，造成輸出電壓的負(fù)過沖,。如果將系統(tǒng)欠壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)置的略低一些，或減緩3.3V的下降速度,，以保證UCD9224進(jìn)入reset模式時,，UCD7232已經(jīng)處于欠壓保護(hù)狀態(tài)，則輸出電壓的負(fù)過沖亦可以避免,。

圖13：SRE_1B與FLT

     為減緩3.3V的下降速度,，可使用Dropout電壓較小的LDO，如TPS79333（VDROPOUT=0.18V）,。由圖11和圖12對比可知,，當(dāng)前方案下使用的LDO具有較大的Dropout 電壓（6.9V-2.6V=4.3V）。如使用TPS79333,，當(dāng)UCD7232觸發(fā)4.1V欠壓保護(hù)停止工作時,，UCD9224仍能得到穩(wěn)定的3.3V供電，也就避免了進(jìn)入reset模式,。

6．結(jié)論

     在只關(guān)閉3.3V的應(yīng)用場景中，輸出端無論是否帶載,，輸出電壓都會出現(xiàn)負(fù)過沖,；而在采用常規(guī)供電設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，關(guān)閉12V時,，如果輸出端空載,，同樣會出現(xiàn)負(fù)過沖問題。輸出電壓負(fù)過沖的根因是UCD9224在處于reset模式后,，SRE_1A和SRE_1B引腳變?yōu)楦咦钁B(tài),，其電壓有反彈并下降緩慢導(dǎo)致。解決措施是在SRE_1A和SRE_1B引腳各增加一顆下拉電阻,。實(shí)測發(fā)現(xiàn),，該解決措施簡單有效,。

7．參考文獻(xiàn)

1. UCD9224 datasheet, Texas Instruments Inc.

2. UCD7232 datasheet, Texas Instruments Inc.

3. Using the UCD92xx Digital Point-of-Load Controller Design Guide, Texas Instruments Inc