一种数字模块电源实现模拟trim功能的方法

尹利文

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

一种数字模块电源实现模拟trim功能的方法

尹利文

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

数字模块电源和模拟模块电源的trim功能的实现方法是完全不同的，在客户实际应用中难以兼容。基于使数字trim兼容模拟trim的目的，在分析模拟硬件trim实现原理的基础上，推导出了一种检测trim比例的硬件电路，结合数字控制的特点，给出了对应的软件算法。通过软硬件结合，在以UCD3138数字控制器为核心的一个12 V输出模块电源上进行了实验验证。实验结果证明，数字trim方法实现了对模拟trim功能的完全兼容。

数字模块电源；trim电路；trim算法

模块电源[1]由于输出电压值选择有限，通常具有一定的电压调整功能。该功能通过一个标记为TRIM或ADJ的专用引脚实现,使得用户应用更为灵活。目前传统的模块电源仍然以模拟电源为主[2]，用模拟电路实现调整输出电压(trim)的功能。而数字模块电源则由通讯协议，如PMBUS(Power Management Bus)协议[3]将电源trim范围内的某一需要的电压值写入数字电源模块[4]。由此可见，模拟模块电源和数字模块电源的trim功能实现方法完全不同，不能兼容。然而随着数字模块电源的应用普及[5]，目前市场上模拟电源与数字电源共存兼容的需求越来越明显[6]。本文介绍了一种数字trim的实现方法，解决了数字模块电源在外特性上兼容模拟模块电源trim功能的问题。

1 传统trim功能的实现方法

通讯模块电源通常以额定输出电压为基准，允许电压上调(trim up)10%或下调(trim down)20%。模拟模块电源的trim功能实现简单，只需要一颗外部电阻即可进行输出电压的设定。图1为模拟模块电源实现trim功能的典型硬件电路。

图1 电压调整功能的典型电路

在图1所示电路图中，基准电压源U1，为运放 提供参考电压。电阻R4和R2从5 V电源为U1提供偏置电压。电容C1、C7和电阻R3既滤波又设定输出电压建立时间,实现软启动[7]。R3、R8、U1和外部trim电阻构成trim电路。模块输出电压通过该电路改变运放U2的参考电压来达到调整输出电压的目的。

2 数字trim的实现方法

2.1 实现原理

在图1中，记U1电压为Vref;模块额定输出电压为Vnom;模块实际输出电压为Vtrim;C1电压为Vc1，模块外部trim电阻为Rtrim;调整输出电压变化率为Δ，则根据基尔霍夫电压、电流定律可得以下方程组，其中所有电阻单位为千欧(kΩ)，电压单位为伏特(V)。

电压下调(trim down)方程组为

化简为

(1)

根据式(1)，设R3、R8为5.11 kΩ，Vref为1.2 V，Vnom为12 V。若要获得trim down 20%的输出电压，则Δ为0.2，即Vtrim为9.6 V，可得Rtrim为15.33 kΩ。

电压上调(trim up)方程组为

化简为

(2)

根据式(2)，若要获得trim up 10%的输出电压，则Δ为0.1，即Vtrim为13.2 V，可得Rtrim为500.78 kΩ。

从计算式(1)和式(2)可知，在R3、R8、Vref与Vnom固定已知的条件下，Rtrim唯一取决于Δ。若数字控制器能够实时的检测到电压变化的数字量，进而及时调整内部参考电压的数字量，即可实现对输出电压的调整。

2.2 硬件电路设计

在实际中Δ不方便直接测出，可利用图2所示的硬件电路通过软件运算后间接获得。

图2 实现数字TRIM的硬件电路

记图2中U3电压数字量为Vref，模块额定输出电压数字量为Vnom，模数转换器采样到trim电压数字量为Vadc，则电压变化量的数字量Δ可由式(3)得到，进而可得数字控制器的参考电压数字量Vtrim可由式(4)得到

(3)

Vtrim=Vnom×(1+Δ)

(4)

若反向计算Rtrim值时，图2所示的电阻R1、R9分别对应上图1的电阻R3与R8，则数字方式Rtrim的计算公式将和模拟方式的计算公式完全一致。

2.3 软件程序设计

根据电源的应用特点，数字电源在软件中适合采用状态机的方式进行管理[8]，可灵活快捷的实现各种功能和处理各种故障[9]。图3显示了5种基本的状态机及作用阶段，从状态1到状态5依次为空闲、预偏置电压计算、电压爬升、电压稳态调整、关闭输出。

图3 软件基本状态机

在数字控制器的程序里设置每100 进一次中断，获得一次trim电压的检测值[10]。由于模数转换后数值具有一定的波动性[11]，直接使用会导致运算后的内部电压基准数值跟着产生波动，进而使输出电压出现波动。虽通过数字滤波算法[12]可减少波动，但在此种应用条件下却是不适合的，尤其是在电压爬升阶段。因为滤波算法通常需要多次的检测值，降低了trim电压响应速度，延长了电压的建立时间。考虑通过检测相邻两次电压值数字量的变化值的大小来区分调整阶段和非调整状态。当变化值超出设定的死区范围时，认为采样到的电压有效，进入输出电压调整阶段；而当小于设定的死区范围时，认为采样到的电压无效，进入非输出电压调整阶段。图4为电压爬升(状态3)和电压稳态调整(状态4)状态机对应的trim算法流程图。

为了减小输出纹波电压和动态负载时对trim电压的影响，需要适当加大图2中C2的电容量去抑制动态电压波形对采样值的影响[13]。若C2的电容量过大，亦会增大输出电压达到稳态的时间。实际中可根据实验结果进行折中，本文中选择1 μF电容。

此外，由于电压参考值引入了外部噪声，会对没有外接trim电阻时的输出电压值产生附加的干扰，导致此时的输出电压精度变差。解决的一种方法是在输出电压进入稳态后的某一个时间点进行一次电压补偿。具体为在该时间点检测trim电压，判断其值是否是在没有trim电阻时的正常范围。若在正常范围则赋给电压参考值一个固定值；若超范围则不进行补偿操作。

图4 数字trim算法流程图

3 实验结果

本实验以一个输入电压36～75 V，输出电压12 V，输出功率600 W的标准1/4转数字通讯电源模块为实验平台。该数字电源的数字控制芯片采用美国德州仪器(Texas Instruments,TI)的UCD3138[14]，其内核为32位的ARM7，片上集成了一个多通道的12位ADC，满量程为2.5 V[15]。实验测试的trim电阻用精度为1%的可变电阻箱替代。表1和表2为trim输出电压精度测试的误差结果。该测试条件为25 ℃环境温度，48 V输入电压，空载，接好trim电阻后再由使能开关控制引脚开机后记录输出电压值。

表1 TRIM UP精度测试误差表

表2 TRIM DOWN精度测试误差表

从测试结果可发现，该数字trim方式的最大输出误差均未超过±0.06 V，兼容同规格12 V输出的传统模拟电源模块的精度要求。此外trim down的输出电压误差最大0.026 V，明显

4 结束语

上文所述之方法通过软硬件的协同作用，使数字模块电源实现了模拟trim的功能。该功能的性能在实验板上得以验证，在动态特性、稳态特性及精度上与模拟电源的trim功能基本一致，达到了兼容的设计目的，进一步提高了数字电源对模拟电源的竞争力。此外，由于这种方法对数字控制器的计算速度和硬件资源要求较低，因而具有广泛的适用性。

为了实现更高的精度，软件上可增加分段补偿算法，而硬件上可以选择更高精度的A/D转换器、基准源和电阻。

[1] 佚名.模块电源的特点及应用[J].电源技术应用,2007(6):97-101,117.

[2] 佚名.2014年国内开关电源市场呈现四大特征[J].电源世界,2014(9):8-8.

[3] SMIF. Introduction to the PMBusTM[M]. USA:System Management Interface Forum, Inc. 2005.

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[7] 张杰,殷亮,潘姚华,等.采用有限状态机控制的升降压双通路高效率电荷泵[J].固体电子学研究与进展,2010,30(2):262-268.

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[11] 段彬,孙同景,李振华,等.全数字逆变电源IIR Butterworth数字滤波[J].吉林大学学报:工学版,2009,39(S2):311-314.

[12] 张笑天,马西奎,张浩.数字控制DC-DC Buck变换器中低频振荡现象分析[J].物理学报,2008,57(10):6174-6181.

[13] TI.UCD3138 data manual[M].USA:Texas Instruments Corporation,2013.

[14] TI.UCD3138 monitoring and communications programmer’s manual[M].USA:Texas Instruments Corporation,2013.

A Realization Method of Analog Trim Function on Digital Power Supply Module

YIN Liwen

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The realization method of trim function on analog power supply module and digital module are absolutely different and nearly incompatible in customer application. To get digital trim function compatibility with analog type, firstly analyze the principle of analog hardware trim function, then derive a hardware circuit to detect trim proportion, and finally give out a software algorithm considering digital control features. With combination of hardware and software, the verification experiment worked on the platform of a 12 output digital power supply module with UCD3138 as core digital controller shows that new digital trim method realize compatibility with traditional analog method completely.

digital power supply module; trim circuit; trim algorithm

2016- 04- 15

尹利文(1988-)，男，硕士，工程师。研究方向：数字控制电源软件设计等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.046

TN86

A

1007-7820(2017)03-167-04