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数字电源UCD9224与UCD7232应用中输出电压关机负过冲的分析及解决
摘要
UCD9224 可以与UCD7232 配合设计非隔离数字电源。在某项目中,采用1 片UCD9224 与4 片UCD7232 设计了四相交错并联输出的数字电源,输出规格为1.0V/80A。在测试中发现,关机时输出电压存在严重的负过冲,幅值可达-380mV。经过仔细定位发现,引起负过冲的根因是UCD9224 进入reset 模式后,SRE_1A 和SRE_1B 引脚变为高阻态,其电压有反弹并下降缓慢。基于此,在SRE_1A 和SRE_1B 引脚各设计一颗下拉电阻,可以给上述两个引脚快速放电,彻底解决负过冲问题。本文对定位过程给予了详细的描述和分析,并最终给出了结论。
1. 数字电源系统设计
某非隔离BUCK数字电源系统的设计基于数字控制器UCD9224与驱动器UCD7232,采用四相并联并配置于交错模式,输入电压为12V,输出电压为1.0V,输出电流最大为80A。
1.1 数字电源系统方框图
UCD9224是内部集成ARM7核的非隔离数字电源控制器,可以灵活的配置为多路或多相模式,并带有PMBUS接口。UCD7232则是与UCD9224配合使用的增强型驱动器,与UCD9224之间有多个信号的交互,完成驱动信号接收,电流采样,故障上报等工作。
图1所示的是该数字电源系统的方框图,包含有1片UCD9224和4片UCD7232,以及功率 MOSFET,输出电感和输出电容等。该系统有两个输入总线,分别是3.3V和12V,其中3.3V用来给UCD9224供电,12V输入到UCD7232和BUCK转换电路,完成到1.0V的转换。该供电架构区别于传统的3.3V由12V通过LDO转换得来的设计。
图 1:数字电源系统框图
1.2 UCD9224与UCD7232的关键信号连接
UCD9224共有4组关键信号与4片UCD7232连接,分别完成电压转换控制,同步整流模式配置和故障上报等功能,下面是这些关键信号的简单介绍:
1) DPWM:由UCD9224输出到UCD7232,是后级BUCK电路的驱动信号来源。其中, BUCK上管驱动信号与DPWM的逻辑相同,BUCK下管的驱动信号与DPWM的逻辑相反。
2)SRE:由UCD9224输出到UCD7232。当UCD7232的SRE_MODE引脚(图1未示意)上拉至高电平后,UCD7232被配置为同步整流模式。当SRE为高时,BUCK的下管得到相应的驱动信号,该驱动信号由DPWM决定。当SRE为低时,BUCK电路的下管处于关闭状态。
3)FLT:由UCD7232输出到UCD9224。当UCD7232检测到欠压,过流或过温等故障后,FLT引脚变为高,UCD9224识别之后会根据当前配置进行相应处理。
4)CS:由UCD7232 的IMON管脚输出到UCD9224的CS管脚。该信号为输出电流采样信号。
2. 输出电压的负过冲
对该系统做输入关机测试时,如果只关闭3.3V,12V保持不变,发现输出电压有明显的负过冲,幅值超过-300mV。如图2所示,关机时输出电压(1.0V,CH3)的负过冲达到了-380mV,测试条件为输出端空载。
3. 负过冲的定位及原因分析
在定位负过冲的过程中,发现关机时BUCK下管的驱动信号异常,进一步发现SRE信号异常,最终发现根因是SRE_1A信号和SRE_1B信号在关机过程中有反弹并且下降缓慢。
3.1 关机时BUCK下管驱动信号异常
保持输入电压12V不变,当关闭3.3V时,输出电压有很大的负过冲。在空载输出时,输出端亦有负过冲,据此初步判断BUCK下管可能有长时间导通,输出电容电压通过长时间。导通的 BUCK下管泄放到地。而实测试发现,BUCK下管的确如此,如图 3。可以观察到,输出电压下降后,BUCK下管的驱动信号(蓝色线)一直保持为高,时间超过了1s。而BUCK上管的驱动信号(蓝色线)在关机过程中正常,如图 4。
3.2 关机时SRE信号异常
理论分析知,关机时SRE信号会变为低电平,BUCK下管的驱动信号随之也会变为低。而该电源系统关机时BUCK下管的驱动信号一直保持为高,怀疑为SRE信号异常。
实测发现SRE_1B(图5中的CH1;CH2为SRE_MODE信号;CH3为输出电压)在下降过程中出现了反弹,然后缓慢下降。而SRE_2A(图6中的CH1;CH2为SRE_MODE信号;CH3为输出电压)则没有反弹,快速下降到0V。
进一步详细测试发现,SRE_1A与SRE_1B在下降过程中皆有反弹,信号异常;而SRE_2A与 SRE_3A正常。
3.3 SRE 信号异常的原因分析
图7显示的是SRE_1B(CH3),V33D(CH2,3.3V)和BPCAP(CH1,1.8V)在关机时的波形。可以观察到,在SRE_1B出现反弹时,3.3V下降到了2.8V左右,UCD9224进入了reset模式。
图 7:3.3V 与 SRE 信号
根据UCD9224芯片的硬件设计,其供电电压下降到2.8V时会处于reset模式。而其进入reset模式后,SRE_1A引脚和SRE_1B引脚变更为高阻态,SRE_2A引脚和SRE_3A引脚变为低电平态(被 UCD9224强制拉低到地)。
同时,由于UCD7232芯片内部对SRE管脚有弱上拉(上拉到3.3V),因此,SRE_1A和SRE_1B的电压信号会出现反弹并下降缓慢,而SRE_2A和SRE_3A的电压信号可以迅速下降到0。4. 解决措施
考虑到SRE_1A和SRE_1B在UCD9224进入reset模式后变为高阻态,引脚电压下降缓慢,因此可以添加下拉电阻以快速拉低上述引脚的电压。下拉电阻的阻值需要小于3.74Kohm,以保证SRE管脚的残留电压低于低电平判定阀值0.9V。
图8显示的是添加两颗下拉电阻(1Kohm)后的关机波形(CH4为SRE_1A;CH1为SRE_1B;CH3为输出电压),负载电流为3A。可以观察到,SRE_1A和SRE_1B在关机过程中没有反弹,而是快速下降到0V。因此,输出电容只通过负载放电,没有负过冲。
5. 常规供电设计的输出电压负过冲
上述电源系统的特殊之处在于采用了3.3V和12V分开的供电架构。在该应用中,当关闭3.3V后,12V还处于稳定状态,即SRE_1A和SRE_1B进入高阻态后,UCD7232还正常工作,这让BUCK下管长时间导通成为了可能。然而,在采用常规供电设计时,同样会存在负过冲的异常情形。
5.1 常规供电设计及输出电压的负过冲
常规供电架构的设计为3.3V通过LDO由12V转换得来,因此整个电源系统的输入电压只有 12V。图10显示的即为采用常规供电架构设计的数字电源系统框图(局部)。
图9显示的是关闭12V时的关机波形(CH1为输出电压,CH3为SRE_1B),输出端空载。可以观察到,当关机动作发生后(对应于SRE_1B下降到0的时刻),由于是空载,输出电压几乎保持不变;经过大约2.8ms后,SRE_1B又上升,此时,输出电压快速下降到0V,并伴随有负过冲。
图 10:常规供电架构设计(局部)
5.2 输出电压的负过冲分析及结论
基于本文之前的分析,怀疑图9中 SRE_1B下降到0之后的上升依然是因为UCD9224 进入reset模式而使SRE_1B变为高阻导致。基于此,展开测试与分析。
图11测试了关机时12V(CH3),SRE_1B(CH4)和SRE_2A(CH1)的波形。可以观察到,SRE_1B再次变为高的时刻,SRE_2A依然保持为低。
图12测试了关机时V33D(CH4,3.3V),BPCAP(CH1,1.8V)和SRE_1B(CH3)的波形。可以观察到SRE_1B再次变高的时刻,UCD9224的3.3V下降到了2.6V左右,芯片处于reset 模式。
综合上述信息可知,常规供电架构设计中,空载关机时的输出电压负过冲依然是由于 SRE_1A和SRE_1B进入了高阻态导致。为消除该负过冲,同样可以在SRE_1A和SRE_1B引脚添加下拉电阻来完成。
5.3 其它规避措施
在关机动作发生后,12V电压逐渐下降,会首先触发欠压保护(欠压保护点由软件设置),系统关机,DPWM和SRE被拉低,输出关闭;随着12V的继续下降,触发UCD7232的欠压保护,FLT引脚变为高,并上报给UCD9224。图13完整的显示了上述过程。(图13的CH4为3.3V电压波形,CH3为SRE_1B引脚信号,CH1为FLT引脚信号)
由该波形可知,SRE_1B再次上升时,由于UCD7232还处于正常工作状态(FLT还为低),因此BUCK下管可以正常导通,造成输出电压的负过冲。如果将系统欠压保护点设置的略低一些,或减缓3.3V的下降速度,以保证UCD9224进入reset模式时,UCD7232已经处于欠压保护状态,则输出电压的负过冲亦可以避免。
图 13:SRE_1B 与 FLT
为减缓3.3V的下降速度,可使用Dropout电压较小的LDO,如TPS79333(VDROPOUT=0.18V)。由图11和图12对比可知,当前方案下使用的LDO具有较大的Dropout 电压(6.9V-2.6V=4.3V)。如使用TPS79333,当UCD7232触发4.1V欠压保护停止工作时,UCD9224仍能得到稳定的3.3V供电,也就避免了进入reset模式。
6. 结论
在只关闭3.3V的应用场景中,输出端无论是否带载,输出电压都会出现负过冲;而在采用常规供电设计的系统中,关闭12V时,如果输出端空载,同样会出现负过冲问题。输出电压负过冲的根因是UCD9224在处于reset模式后,SRE_1A和SRE_1B引脚变为高阻态,其电压有反弹并下降缓慢导致。解决措施是在SRE_1A和SRE_1B引脚各增加一颗下拉电阻。实测发现,该解决措施简单有效。
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