摘要

    數字電源控制器UCD3138 內部集成有4 個數字比較器，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字比較器的輸入，因此使用數字比較器可以實現對系統輸出電壓的故障響應與保護。UCD3138 內部集成有16 個模數轉換器（ADC），其中名稱為ADC15 的模數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，實現對系統輸出電壓的精確采集，最終可以實現對輸出電壓的故障響應與保護。

1、UCD3138 的數字比較器

    UCD3138 內部集成有4數字比較器，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，最終實現對系統輸出電壓故障（過壓，欠壓等）的快速響應與保護。

1.1 數字比較器的硬件電路簡介

    圖1 所示的是UCD3138 芯片內部模擬前端（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）；該誤差信號在模數轉換后變為數字量，然后輸入到數字環路補償模塊（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（數字量）與EADC 的輸出值（數字量）相加后生成一個叫做“ 絕對值量（absolute value）” 的數字信號，可以表征實際采集到的電壓信息（即Vd 的值）。

    UCD3138 的數字比較器就是以數字誤差信號（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 個數字比較器。

1.2 數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字化之后的信息量，即數字誤差量，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，但并不是二者數字量的直接相加，因為其分辨率不同。事實上，上述三個數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，三個數字量可以在增加衰減系數后存在如下等式關系：

1.3 數字比較器的軟件配置

在程序初始化階段，可以完成對數字比較器的配置。以配置數字比較器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一次數字比較器就會產生一個fault。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.FE_SEL = 0;

上述代碼配置數字比較器的輸入為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字比較器0 的輸入。

FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.COMP_POL = 1;

上述代碼配置為數字比較器的輸入高于參考量后才會觸發。

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 時便會觸發數字比較器。

FaultMuxRegs.DPWM0FLTABDET.bit.DCOMP0_EN=1;

上面代碼配置為，數字比較器觸發后立即關斷DPWM0A 和DPWM0B。

1.4 數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。可以觀察到，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. 數字比較器觸發后關閉DPWM0B

1.5 數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。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 節最后的等式）。而實際讀取發現，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 節最后的等式）。而實際讀取發現，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，如果計劃讓數字比較器在Vd 為1.33V 時觸發，則其參考值需要設置為850。然而，數字比較器的另一端（輸入為絕對值）最大僅為767，因此數字比較器將沒有機會被觸發。

實際應用中，設置數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數字比較器。

2、UCD3138 的內部模數轉換器ADC15

UCD3138 芯片內部共有16 個模數轉換器，其中ADC15 可以在芯片內部連接到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。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：

上述物理值與數字量之間的差別，主要是測量誤差導致。

3、UCD3138 的內部模數轉換器ADC15

UCD3138 芯片內部的數字比較器和模數轉換器ADC15 都可以用來處理與輸出電壓相關的工作。

其中，數字比較器配置之后可以實現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.