摘要
數(shù)字電源控制器UCD3138 內(nèi)部集成有4 個數(shù)字比較器,，可以靈活配置其輸入端和參考值。模擬前端（AFE）模塊的絕對值量和EADC 的輸出都可以作為數(shù)字比較器的輸入,，因此使用數(shù)字比較器可以實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的故障響應與保護,。UCD3138 內(nèi)部集成有16 個模數(shù)轉換器（ADC），其中名稱為ADC15 的模數(shù)轉換器不對外部開放,，可以用來檢測3 個AFE 模塊中任何一個的EAP 或EAN 引腳,，實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的精確采集，最終可以實現(xiàn)對輸出電壓的故障響應與保護,。
1,、UCD3138 的數(shù)字比較器
UCD3138 內(nèi)部集成有4數(shù)字比較器，可以以AFE 的絕對值量或者誤差值為輸入端,，靈活配置參考值,，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓故障（過壓，欠壓等）的快速響應與保護,。
1.1 數(shù)字比較器的硬件電路簡介
圖1 所示的是UCD3138 芯片內(nèi)部模擬前端（Analog Front End,，AFE）的框圖。輸出電壓在分壓后以差分信號的方式進入到AFE 模塊,，與參考電壓（DAC0 的輸出值）比較后得到誤差信號（模擬量）,；該誤差信號在模數(shù)轉換后變?yōu)閿?shù)字量,，然后輸入到數(shù)字環(huán)路補償模塊（Filter）。
Figure 1. UCD3138 AFE 模塊框圖
為豐富應用的靈活性,，用戶設置的參考值（數(shù)字量）與EADC 的輸出值（數(shù)字量）相加后生成一個叫做“ 絕對值量（absolute value）” 的數(shù)字信號,，可以表征實際采集到的電壓信息（即Vd 的值）。
UCD3138 的數(shù)字比較器就是以數(shù)字誤差信號（B 點值）或絕對值量（C 點值）作為一個輸入端,，參考電壓值（用戶可以自行設置）為另一個輸入端所組成,，觸發(fā)后可以配置其關斷任何一路DPWM。
UCD3138 中有3 個AFE 模塊,，同樣地,，也有4 個數(shù)字比較器。
1.2 數(shù)字比較器涉及的關鍵寄存器
1.2.1EADC的輸出
EADC 的輸出是參考電壓與輸入模擬量相減后的值在數(shù)字化之后的信息量,，即數(shù)字誤差量,，其范圍與AFE 自身的增益有直接關系。例如,，當增益值設置為1 時,，其輸出范圍是+248~-256；而增益設置為8 時,，輸出范圍是+31~-32.
寄存器EADCRAWVALUE 的第0~8 位（共9bit,，名稱為RAW_ERROR_VALUE）保存的即為EADC 的輸出，分辨率為1mV/bit,。
1.2.2DAC的輸入
DAC 的輸出即為系統(tǒng)的參考電壓,。在UCD3138 的實際應用中，用戶可以設置DAC 的輸入值,，為數(shù)字信號量,。寄存器EADCDAC 的第4~13 位（共10bit，名稱為DAC_VALUE）保存了用戶的設置值,。分辨率為1.5625mV/bit,。
1.2.3絕對值量
寄存器EADCVALUE 的第16~25 位（共10bit,，名稱為ABS_VALUE）保存的就是絕對值量,，分辨率為1.5625mV/bit。
上文提到,，絕對值量是EADC 的輸出信息與DAC 的輸入信息相加得到的,，但并不是二者數(shù)字量的直接相加，因為其分辨率不同,。事實上,，上述三個數(shù)字量所各自表征的模擬量存在等式關系。
例如,，某條件下,，EADC 的輸出（ERROR_VALUE）為192；DAC 的輸入為747；絕對值量(ABS_VALUE)為624,，如下圖2 所示,。
Figure 2. Memory Debugger 中讀取到的寄存器值
顯然，747-624=123≠ 192,。但是,，各自的模擬量則滿足等式關系，如下：
? EADC 的輸出192 對應的模擬量為192×1mV/bit=192mV,；
? DAC 的輸入747 對應的模擬量為747×1.5625mV/bit=1167.1875mV,；
? 絕對值量624 對應的模擬量為624×1.5625mV/bit=975mV；
◎最終,，1167.1875-975=192.1875≈ 192.
或者,，三個數(shù)字量可以在增加衰減系數(shù)后存在如下等式關系：
1.3 數(shù)字比較器的軟件配置
在程序初始化階段，可以完成對數(shù)字比較器的配置,。以配置數(shù)字比較器0 為例,，主要代碼如下：
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.CNT_THRESH = 1;
上述代碼配置只需觸發(fā)一次數(shù)字比較器就會產(chǎn)生一個fault。
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.FE_SEL = 0;
上述代碼配置數(shù)字比較器的輸入為AFE0 的絕對值量,。也可以配置為EADC 的輸出,。另外，其余兩個AFE 的絕對值量和EADC 的輸出也可以配置為數(shù)字比較器0 的輸入,。
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.COMP_POL = 1;
上述代碼配置為數(shù)字比較器的輸入高于參考量后才會觸發(fā),。
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.THRESH = 850;
參考量設置為850。如果輸入量選擇為絕對值量,，則當Vd 電壓大于850×1.5625mV/bit =1.33V 時便會觸發(fā)數(shù)字比較器,。
FaultMuxRegs.DPWM0FLTABDET.bit.DCOMP0_EN=1;
上面代碼配置為，數(shù)字比較器觸發(fā)后立即關斷DPWM0A 和DPWM0B,。
1.4 數(shù)字比較器的實際應用結果
實際調試時,，圖1 的Vd 處外接一個可調電壓，并由0V 慢慢增大,?？梢杂^察到，當電壓超過1.33V 后,，驅動信號便立即被關閉,，符合預期，如下圖3（CH3 為Vd 電壓,，CH2 為DPWM0B）,。
Figure 3. 數(shù)字比較器觸發(fā)后關閉DPWM0B
1.5 數(shù)字比較器的實際應用結果
實際應用中需要注意EADC 的飽和問題。
上文1.2 節(jié)提到,，EADC 的輸出有一定的范圍,，當輸入過大或過小時,，EADC 的輸出會固定在其上限或下限，此時便是EADC 處于了飽和狀態(tài),。仍以上面提到的實驗為背景進行說明,，其中AFE的增益設置為1。
當Vd 電壓為554mV 時,，絕對值量預計為355（因為554/1.5625≈ 355）,，EADC 的輸出預計為613（參考1.2 節(jié)最后的等式）。而實際讀取發(fā)現(xiàn),，絕對值量為588,，EADC 的輸出為248，這與設想完全不同,。分析原因可知,，此時EADC 已經(jīng)處于了正向飽和，輸出的上限為248,。
Figure 4. EADC 正向飽和
同樣地,，當Vd 電壓為1.64V 時，絕對值量預計為1050（因為1640/1.5625≈ 1050）,，EADC 的輸出預計為-473（參考1.2 節(jié)最后的等式）,。而實際讀取發(fā)現(xiàn)，絕對值量為911,，EADC 的輸出為-256,，這與設想也是完全不同。分析原因亦可知,，此時EADC 已經(jīng)處于負向飽和,，輸出的下限為-256。
Figure 5. EADC 負向飽和
綜合上面分析可知,，在DAC 的值固定后,，絕對值量存在一個范圍，該范圍與AFE 的增益有直接關系,，如下表所示,。
Table 1. 絕對值量范圍和AFE 增益的關系
可以觀察到，如果AFE 的增益設置為8,，DAC 的值為747 時,，絕對值的范圍是727~767,。此時,，如果計劃讓數(shù)字比較器在Vd 為1.33V 時觸發(fā)，則其參考值需要設置為850,。然而,，數(shù)字比較器的另一端（輸入為絕對值）最大僅為767,，因此數(shù)字比較器將沒有機會被觸發(fā)。
實際應用中,，設置數(shù)字比較器的參考值時需要考慮AFE 的增益,，以防止因EADC 提前飽和導致其輸出被鉗制而無法觸發(fā)數(shù)字比較器。
2,、UCD3138 的內(nèi)部模數(shù)轉換器ADC15
UCD3138 芯片內(nèi)部共有16 個模數(shù)轉換器,，其中ADC15 可以在芯片內(nèi)部連接到AFE 模塊的EAP或EAN 引腳。實際應用中,，ADC15 可以用來檢測系統(tǒng)的反饋電壓,，在軟件中可以還原出實際的輸出電壓。
2.1 ADC15 的配置
UCD3138 芯片內(nèi)部的ADC15 可以連接到任意一個AFE 模塊的EAP 或EAN 引腳,，完成模擬信號的數(shù)字化,。在應用時，與其它ADC 的配置方式非常相似,，唯一的差別是需要配置ADC15 到指定的AFE,。
下面三行代碼是完成ADC15 與AFE 的關聯(lián)。其中,，AFE_MUX_CH_SEL 為1 是指ADC15 連接到AFE0,；AFE_VIN_MUX 為0 是指ADC15 連接到EAP 引腳。
MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_MUX_SEL=3;
MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_VIN_MUX=0;
MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_MUX_CH_SEL=1;
綜合上述配置,，ADC15 是連接到了AFE0 的EAP 引腳,，即可以檢測圖1 中的Vd 電壓。
2.2 實驗結果
如圖4,，當Vd 為554mV 時,，ADC15 的結果（adc_values.Vout）為902。二者近似符合下面的等式：
如圖5,，當Vd 為1.64V 時,，ADC15 的結果（adc_values.Vout）為2681。二者近似符合下面的等式：
上述物理值與數(shù)字量之間的差別,，主要是測量誤差導致,。
3、UCD3138 的內(nèi)部模數(shù)轉換器ADC15
UCD3138 芯片內(nèi)部的數(shù)字比較器和模數(shù)轉換器ADC15 都可以用來處理與輸出電壓相關的工作,。
其中,，數(shù)字比較器配置之后可以實現(xiàn)對輸出電壓過壓或欠壓等的快速響應與保護；ADC15 配置之后可以精確的采集輸出電壓信息,，然后借助軟件設計同樣可以實現(xiàn)對輸出電壓的故障保護,。
4、參考文獻
1. UCD3138 datasheet, Texas Instruments Inc.
2. UCD31xx Fusion Digital Power Peripherals Programmer’s Manual, Texas Instruments Inc.
3. UCD31xx Miscellaneous Analog Control _MAC_, Texas Instruments Inc.