德州儀器UCD9112雙相同步降壓數(shù)字控制器評估模塊深度解析

在電子工程領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。德州儀器（Texas Instruments）的UCD9112雙相同步降壓數(shù)字控制器評估模塊（UCD9112EVM）為工程師們提供了一個強(qiáng)大的工具，用于評估和開發(fā)高性能的電源解決方案。本文將深入探討該評估模塊的各個方面，包括其功能、性能、測試和使用方法。

文件下載：UCD9112EVM.pdf

評估套件內(nèi)容

UCD9112評估套件包含了進(jìn)行評估所需的所有關(guān)鍵組件：

1. UCD9112雙相負(fù)載點(diǎn)EVM：核心評估板，集成了UCD9112控制器及相關(guān)電路。
2. 通用串行總線（USB）接口適配器：用于與主機(jī)進(jìn)行通信。
3. 帶狀電纜：連接評估板和USB接口適配器。
4. USB電纜：提供電源和數(shù)據(jù)傳輸。
5. CD：包含TI-Fusion-Digital-Power-Designer程序和參考文檔。
6. 用戶指南：詳細(xì)介紹了評估模塊的使用方法和技術(shù)細(xì)節(jié)。

EVM功能概述

UCD9112EVM專為40A同步降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)和應(yīng)用場景：

特點(diǎn)

• 寬輸入電壓范圍：支持5V至14V的輸入電壓，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 可配置輸出電壓：輸出電壓范圍為0.4V至4V，滿足不同負(fù)載的需求。
• 雙相設(shè)計(jì)：最大輸出電流可達(dá)40A，提供高效的功率轉(zhuǎn)換。
• PMBus命令實(shí)現(xiàn)：支持PMBus通信協(xié)議，方便進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和監(jiān)控。
• 可配置軟件GUI：通過TI-Fusion-Digital-Power-Designer軟件，用戶可以輕松配置設(shè)備參數(shù)。
• 數(shù)字PID補(bǔ)償：實(shí)現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)響應(yīng)。
• 方便的測試點(diǎn)：便于進(jìn)行各種電氣參數(shù)的測量和調(diào)試。

應(yīng)用

• 電信設(shè)備：為通信設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
• 服務(wù)器電源：滿足服務(wù)器高功率需求。
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：保障網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠運(yùn)行。
• 數(shù)據(jù)通信：為數(shù)據(jù)中心提供高效的電源解決方案。
• 直流電源分布式系統(tǒng)：適用于分布式電源架構(gòu)。
• 存儲系統(tǒng)：為存儲設(shè)備提供穩(wěn)定的電源支持。

電氣性能規(guī)格

這些規(guī)格為工程師提供了評估模塊性能的重要參考，在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)這些參數(shù)來判斷模塊是否滿足設(shè)計(jì)需求。

檢查UCD9112EVM

跳線說明

測試點(diǎn)說明

LED說明

• 輸入電源LED（D1）：綠色LED，當(dāng)輸入電壓足夠?yàn)樵u估板供電時點(diǎn)亮，輸入電壓范圍為5V至14V。
• USB LED（D6）：綠色LED，指示PMBus已連接到評估板。
• 警報(bào)LED（D7）：紅色LED，當(dāng)發(fā)生故障或通信錯誤時點(diǎn)亮，此時評估板將關(guān)閉。

安裝Fusion-Digital-Power-Designer

TI-Fusion-Digital-Power-Designer是一個圖形用戶界面（GUI）軟件，用于配置和監(jiān)控UCD9112EVM。安裝步驟如下：

1. 從套件附帶的CD或TI網(wǎng)站（www.ti.com）下載TI-Fusion-Digital-Power-Designer軟件。
2. 將下載的文件復(fù)制到計(jì)算機(jī)并解壓。
3. 執(zhí)行TI-Fusion-Digital-Power-Designer xx.exe（xx為固件版本）開始安裝。
4. 按照屏幕提示完成安裝。

安裝完成后，桌面上會出現(xiàn)GUI圖標(biāo)。首次初始化軟件時，可以查看Fusion Digital Power Designer用戶手冊，也可以通過幫助菜單訪問該手冊。

測試設(shè)置

推薦的PC工作站

• 操作系統(tǒng)：Microsoft Windows? XP（或更高版本）。
• USB端口：至少一個可用的USB端口。
• .NET Framework：版本2.0，用于支持GUI軟件的運(yùn)行。

推薦的測試設(shè)備

• 直流電源：電壓范圍為0V至15V，最大輸出電流設(shè)置為20A。
• 負(fù)載：可以使用電子負(fù)載（額定電流大于40A，最高5V）或電阻負(fù)載。
• 儀表和分流器：包括輸入電壓表（0V至15V）、輸出電壓表（0V至5V）和電流分流器，用于精確測量輸入和輸出電流。
• 示波器：用于測量輸出紋波和階躍響應(yīng)，探頭阻抗為1MΩ，帶寬設(shè)置為20MHz。
• 其他設(shè)備：測試跟蹤功能需要額外的直流電源，測試風(fēng)扇功能需要PWM風(fēng)扇。

設(shè)備連接

輸入電壓連接

1. 在連接直流輸入電源之前，確保VIN初始設(shè)置為0V。
2. 為了更精確地測量電流，建議使用電流分流器。將VIN正極連接到分流器的一端，然后用AWG #16線將分流器的另一端連接到J1。
3. 在分流器兩端連接電壓表V3。
4. 用AWG #16線將J2連接到VIN負(fù)極。

輸出負(fù)載連接

1. 將負(fù)載設(shè)置為恒流模式，負(fù)載電流設(shè)置為0A。
2. 用AWG #14線將J3連接到負(fù)載的正極。
3. 用AWG #14線將J4連接到負(fù)載的負(fù)極。

儀表和探頭連接

• 電壓表V1連接到TP1和TP2，用于測量輸入電壓。
• 電壓表V2連接到TP4和TP7，用于測量輸出電壓。
• 使用探頭插入TP5，通過示波器測量輸出電壓紋波。

USB適配器連接

1. 將帶狀電纜的一端連接到J10，另一端連接到USB接口適配器。
2. 將USB電纜的迷你連接器連接到USB接口適配器，A連接器連接到主機(jī)的USB端口。

測試和評估程序

EVM啟動

1. 按照設(shè)備連接部分的步驟進(jìn)行正確連接。
2. 打開輸入直流電源，將輸入電壓設(shè)置為12V。此時兩個綠色LED應(yīng)點(diǎn)亮，表示EVM正常工作。
3. 雙擊主機(jī)上的GUI圖標(biāo)，打開GUI界面。
4. 參考德州儀器的應(yīng)用報(bào)告“PMBus Support in UCD911X Family of Digital Power Controllers (SLUA427)”獲取更多詳細(xì)信息。

EVM評估程序

負(fù)載調(diào)節(jié)率測試

通過GUI控制部分的“ON”按鈕打開輸出電壓（默認(rèn)設(shè)置為1V），使用電壓表V2測量輸出電壓。改變負(fù)載電流從0A到40A，記錄電壓表V2的讀數(shù)，計(jì)算負(fù)載調(diào)節(jié)率。

線性調(diào)節(jié)率測試

將負(fù)載電流設(shè)置為固定值，將輸入電壓從5V增加到14V，記錄電壓表V2的輸出電壓讀數(shù)，計(jì)算線性調(diào)節(jié)率。

輸出電壓紋波測試

使用標(biāo)記為TP5的示波器插孔測量輸出紋波。TP5具有非常短的接地回路，可最小化噪聲耦合。探頭的尖端應(yīng)連接到板上套管處的正輸出電壓，金屬接地桶連接到板上金屬環(huán)處的接地。示波器應(yīng)設(shè)置為20MHz帶寬的交流耦合觸發(fā)。

瞬態(tài)響應(yīng)測試

使用與輸出電壓紋波測試相同的探頭設(shè)置。選擇預(yù)期的階躍負(fù)載進(jìn)行瞬態(tài)測試，并設(shè)置適當(dāng)?shù)男甭省?/p>

效率測量

為了評估效率，需要精確測量輸入功率和輸出功率。使用電流分流器測量輸入電流，讀取分流器兩端的電壓（單位：mV），然后將結(jié)果轉(zhuǎn)換為電流測量值。輸出電流可以通過電流分流器或負(fù)載電流計(jì)測量（如果負(fù)載設(shè)置為恒流模式且具有Kelvin連接器）。效率計(jì)算公式為： [Efficiency eta=frac{I{OUT } × V{OUT }}{V{IN } × I{IN }}]

輸出電壓設(shè)定點(diǎn)測試

可以使用GUI配置程序更改輸出電壓。例如，將輸出電壓從1V更改為1.5V的步驟如下：

1. 點(diǎn)擊屏幕左下角的“Configure”按鈕。
2. 點(diǎn)擊“Basic Configuration”，在過壓警告框中輸入1.6，過壓故障框中輸入1.7，Vout框中輸入1.5。
3. 點(diǎn)擊“Write to Hardware”確認(rèn)所有更改。如果需要將配置保存到非易失性存儲器中，點(diǎn)擊“Store RAM to Flash”。

風(fēng)扇速度測試

UCD9112支持風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)和監(jiān)控。以SanyoDenki [109P0412P3033]的四引腳PWM風(fēng)扇為例，測試步驟如下：

1. 將風(fēng)扇的接地（黑色）連接到GND（TP24），風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號（黃色）連接到FAN_TACH引腳（TP23），風(fēng)扇PWM輸入（棕色）連接到FAN_PWM引腳（TP25），最后將12V電源連接到風(fēng)扇電源（紅色）。
2. 在配置頁面點(diǎn)擊“Advanced Configuration”，更改兩個相關(guān)參數(shù)。第一個參數(shù)FAN_CONFIG_1_2的默認(rèn)設(shè)置為風(fēng)扇未安裝（0x10），將其更改為0x90以安裝風(fēng)扇。第二個參數(shù)FAN_COMMAND_1用于通過更改PWM占空比來改變風(fēng)扇速度。
3. 在監(jiān)控頁面可以看到風(fēng)扇速度讀數(shù)（單位：RPM）。如果風(fēng)扇速度低于FAN_SPEED_FAULT_LIMIT [MFR24]命令設(shè)置的限制，將觸發(fā)風(fēng)扇故障并在GUI上顯示。

跟蹤測試

UCD9112EVM提供了評估UCD9112跟蹤功能的能力。測試步驟如下：

1. 將直流電源的正極連接到V_track+引腳（TP9），負(fù)極連接到GND引腳（TP24）。
2. 在配置頁面點(diǎn)擊“Advanced Configuration”，從TRACKING_ENABLE [MFR 19]框中選擇“ENABLE”。輸出電壓將跟隨施加到V_track+引腳（TP9）的電壓，該引腳的電壓應(yīng)小于4V。

控制環(huán)路增益和相位裕度測量

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀創(chuàng)建環(huán)路傳遞函數(shù)的波特圖，步驟如下：

1. 將網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入信號幅度測量探頭（通道A）連接到TP4或TP11。
2. 將網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出信號幅度測量探頭（通道B）連接到TP11或TP4。
3. 將通道A和通道B的接地引線連接到信號地（TP24）。
4. 通過隔離變壓器在電阻R46兩端注入25mV信號。
5. 以10Hz或更小的后置濾波器將頻率從500Hz掃描到1MHz。

網(wǎng)絡(luò)分析儀將生成增益和相位圖，從而可以測量相位裕度、增益裕度和交叉頻率。如需重新設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路，請參考應(yīng)用報(bào)告“Designing the Digital Compensator for UCD91xx-based Digital Power Supply (SLUA416)”獲取更多詳細(xì)信息。

EVM配置

EVM的操作參數(shù)可以通過GUI進(jìn)行配置，具體可參考Fusion Digital Power Designer用戶手冊。

EVM關(guān)機(jī)

評估完成后，通過控制命令選擇“OFF”關(guān)閉輸出電壓，關(guān)閉輸入電壓，并斷開其他設(shè)備的連接。

典型性能特性

UCD9112EVM的典型性能特性包括線性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率