1,、軟啟動原理及待優(yōu)化輸出電壓波形
數(shù)字電源UCD92xx 的軟啟動是通過對參考電壓以步進方式增加來實現(xiàn)的，整個過程是由芯片內(nèi)部的軟件自動完成的,。在一款基于UCD9224 和UCD74120 的單板上測試時發(fā)現(xiàn),，其輸出電壓波形在軟啟動階段有明顯的“臺階”現(xiàn)象，波形不平滑,。
1.1 數(shù)字電源軟啟動原理介紹
圖1 所示的是數(shù)字電源UCD92xx 的功率支路和控制支路,。控制支路主要集成在UCD92xx 芯片內(nèi)部,，包含誤差生成及模數(shù)轉(zhuǎn)換,，環(huán)路補償，PWM計算及產(chǎn)生等,。其中,，參考電壓（VREF）電壓的設置亦包含在控制支路。
依據(jù)軟件算法,，在軟啟動階段,，VREF 每100us 增加一次，直至軟啟動完成,，即輸出電壓達到最終的設定值,。例如，輸出電壓設定為1.0V,，軟啟動的時間設置為4ms,，則在軟啟動階段輸出電壓每一次增加25mv，直至達到1.0V,。
圖 1：數(shù)字電源功率級和控制級框圖
1.2 待優(yōu)化的輸出電壓波形
圖2 所示的是輸出電壓波形,，可以觀察到在軟啟動階段輸出電壓的波形不夠平滑，有明顯的“臺階”現(xiàn)象,。
該波形是在一款基于UCD9224 和UCD74120 的參考版上測得,。主要測試條件為：測試環(huán)境常溫，輸入電壓為12V,，輸出電壓為1.0V,，輸出端帶載20A。另外,，測試時,，數(shù)字環(huán)路的詳細配置見下文2.4 節(jié)。
圖 2：輸出電壓波形
1.3 輸出電壓“臺階”現(xiàn)象的初步分析
圖3 所示的是時間軸展開后觀察到的輸出電壓波形,。通過測量可知,，每經(jīng)過100us 輸出電壓增加一次,，增加的幅度大約為23mV，與理論計算值25mV 基本一致,。
同時也可以觀察到,，輸出電壓的每一次增加都是很快的完成，而不是緩慢增加,。從功率級支路上分析,，這是由于占空比快速增加造成。從控制級支路分析,，則原因可以初步歸結(jié)為環(huán)路過快造成的,。
圖 3：輸出電壓的步進幅度
2 數(shù)字電源模擬前端及環(huán)路
數(shù)字電源控制環(huán)路包含了模擬前端，數(shù)字環(huán)路補償?shù)饶K,，在配置環(huán)路時需要綜合考慮。其中,，數(shù)字環(huán)路還包含非線性增益模塊,，使能后可以有效提升整個電源的動態(tài)響應性能。
2.1 數(shù)字電源模擬前端（AFE）
圖4 紅色框內(nèi)電路為數(shù)字電源模擬前端（Analog-Front End,，AFE）的一部分,，其增益可以設置為1，2,，4,，8 等四個不同的值。設置不同的增益,，則ADC 的輸出精度也隨之不同,，比如設置增益為4，則輸出精度為2mV,；設置增益為1,，則輸出精度為8mV。
在相同輸入誤差（VEAP-VEAN）的情況下,，不同的AFE 增益值將直接影響環(huán)路指標,。其影響趨勢為，增益越大,，環(huán)路帶寬越寬,。
圖 4：數(shù)字電源的模擬前端
2.2 數(shù)字電源環(huán)路
圖 5：數(shù)字電源環(huán)路框圖
2.3 非線性增益
圖 6：非線性增益模塊
2.4 數(shù)字電源環(huán)路配置
圖6 和圖7 是使用數(shù)字電源開發(fā)工具Fusion Digital Power Designer 來配置環(huán)路的軟件截圖。該工具可以模擬整個環(huán)路并給出配置之后的閉環(huán)環(huán)路指標,，包括截止頻率,，相位余度和增益余度，極大的方便了環(huán)路的調(diào)試和優(yōu)化,。
圖6 所示的是軟啟動時的環(huán)路配置,。零極點的信息在“Linear Compensation”方框中,，其中AFE 的Gain 設置為4×；該配置中使能了非線性增益,，其Limit 值和Gain 值是允許用戶修改的,。最終，整個環(huán)路的指標為23.87KHz（截止頻率）,，49.33°（相位余度）,，11.77dB（增益余度）。
圖7 所示的是正常運行時的環(huán)路配置,。零極點的信息在“Linear Compensation”方框中,，其中AFE 的Gain 為4×；該配置中使能了非線性增益,，其Limit 值和Gain 值是允許用戶修改的,。最終，整個環(huán)路的指標為33. 7KHz（截止頻率）,，50.57°（相位余度）,，8.77dB（增益余度）。
正是采樣上述配置,，輸出電壓在軟啟動階段其波形有明顯的“臺階狀”,。下面將嘗試放慢環(huán)路后，驗證是否可以優(yōu)化軟啟動階段的波形,。
圖 7：軟啟動環(huán)路配置 圖 8：正常運行時的環(huán)路配置
2.5 優(yōu)化環(huán)路配置
圖9 是軟啟動環(huán)路優(yōu)化后的軟件截圖,。
環(huán)路的優(yōu)化包括：1）不再使能非線性增益，同時將Gain0 由1 修改為0.5,；這可以降低環(huán)路的低頻增益,，最終降低環(huán)路帶寬；2）將AFE 的Gain 由4 修改為1,，同樣可以降低環(huán)路帶寬,。1 倍的Gain 將使AFE 的輸出的精度變差，并最終影響到輸出電壓,，但考慮到軟啟動階段對輸出電壓的精度要求略低,，因此可以上述修改可以接受。
需要說明的是,，為保證正常運行時輸出電壓的性能（精度,，動態(tài)性能等），正常運行時對應的環(huán)路參數(shù)將保持不變,。
圖 9：優(yōu)化軟啟動環(huán)路參數(shù)
圖10 所示的是優(yōu)化環(huán)路后的輸出電壓波形,，可以觀察到在軟啟動階段的“臺階”現(xiàn)象消失，波形平滑,。
圖11 是將時間軸展開后的輸出電壓波形,，可以觀察到其步進的時間依然是100us,，步進的幅度為24mV（與理論值25mV 基本一致），但每一次的步進不再是突然增加,，而是緩慢增加,。因此，輸出電壓波形變得較為平滑,。
圖 10：優(yōu)化后的軟啟動波形 圖 11：展開時間抽觀察輸出電壓波形
但是,，在圖10 所示的波形中可以觀察到，輸出電壓在啟動時刻有一個正向過沖并很快回落,。嚴格意義上,，該過沖會影響輸出電壓波形的單調(diào)性，在一些應用場景中是不運行的,。下文將針對該過沖進行優(yōu)化,。
3 調(diào)整最小驅(qū)動時間進一步優(yōu)化輸出波形
優(yōu)化環(huán)路后輸出電壓在軟啟動階段變得較為平滑，但會存在一個明顯的過沖,，需要進行優(yōu)化,。下文通過調(diào)整最小占空比寬度來消除該過沖。
3.1 數(shù)字電源軟啟動的kick-start
圖12 中所示的是數(shù)字電源的輸出電壓軟啟動示意圖,。在開始時刻,，輸出電壓有一個快速的上升,，稱之為“Kick-start”,。 Kick-start 的幅度是根據(jù)下面公式計算出的：
Vstart =Vin×DRIVER_MIN_PULSE × Fsw
其中，DRIVER_MIN_PULSE 是指UCD92xx 發(fā)出的最小占空比的寬度,，允許用戶自行設定,。
圖 12：輸出電壓軟啟動
以圖10 為例，輸出電壓Kick-start 的幅度約為185mV,。其DRIVER_MIN_PULSE 設置為50ns,，理論計算Kickstart的幅度為：12V×50ns×300KHz=180mV。實際值與理論值基本一致,。
3.2 調(diào)整最小占空比寬度
將DRIVER_MIN_PULSE 由目前的50ns 修改為5ns,，以驗證其對輸出電壓的過沖有無改善。圖13 即為輸出電壓波形,，可以觀察到過沖已經(jīng)消失,，但在起始時刻，輸出電壓不再平滑,。
分析原因可知,，當DRIVER_MIN_PULSE 設置為5ns 后，雖然UCD9224 可以發(fā)出寬度為5ns 的驅(qū)動脈沖,，但UCD74120 對最小占空比的寬度有要求,，5ns 的寬度不足以使集成在UCD74120 內(nèi)部的buck 上管導通,，從而造成了輸出電壓上升的不平滑。
圖 13：最小占空比寬度修改為5ns 后的輸出電壓波形
過小的DRIVER_MIN_PULSE 值會使輸出電壓在起始時刻變得不再平滑,；過大的DRIVER_MIN_PULSE 的值則會帶來正向過沖,。因此，需要找到一個平衡點,。
逐步增大DRIVER_MIN_PULSE 的值,，當設置為43ns 時，達到了較為理想的平衡點,，輸出電壓的波形如圖14所示,，輸出不再有正向過程，而且在整個軟啟動階段輸出電壓波形都比較平滑,。
此時,，輸出電壓Kick-start 的幅度約為160mV。其DRIVER_MIN_PULSE 為43ns,，理論計算Kick-start 的幅度為：12V×43ns×300KHz=154.8mV,。實際值與理論值基本一致。
圖 14：最終優(yōu)化的輸出電壓波形
4 結(jié)論
通過修改AFE 的增益值和禁止非線性增益等措施優(yōu)化軟啟動對應的環(huán)路參數(shù)后,，可以消除輸出電壓的“臺階”現(xiàn)象,，使波形單調(diào)平滑上升。正常運行的環(huán)路參數(shù)無需改動,，保證了其較高的帶寬,，從而使輸出電壓的精度和動態(tài)響應等指標保持不變。
通過優(yōu)化最小占空比的寬度,，可以消除在kick-start 之后的正向過程,，使輸出電壓波形單調(diào)平滑。
綜上兩類優(yōu)化措施,，最終可以使輸出電壓波形在整個軟啟動階段單調(diào)平滑,。