双向DC-DC 变换器拓扑的对比与设计(3) – UCD3138控制方案

大家好

我是德州仪器的系统工程师 David

今天非常高兴和大家继续分享

TI 双向 DC-DC 变换器拓扑的设计和对比

今天主要讲解

双向 DC-DC 变换器的控制部分

这两种拓扑都是基于 UCD3138 来控制的

UCD3138 是一个多功能的数字控制芯片

它由三个硬件数字环路

和一个基于 ARM7 的控制器组成

这三个数字环路可以独立运行

也可以串联运行

三个环路都带有 14 位的 DAC 参考

带有多参数设定的

双极点双零点 PID 滤波器

UCD3138 有三种控制模式

脉宽模式 移相模式 以及谐振模式

对于拓扑可以实现

恒压恒流和恒功率的控制

输入电压的前馈和检测

内部带有斜坡补偿的峰值电流控制

逐周波限流功能

八倍过采样或者平均的 EADC

带有硬件滤波以及

双重采样保持功能的 12 位 ADC

可以编辑自动 PWM-LLC 和

PWM 移相的开关模式

轻载运行时采用 Burst 模式

内部集成了铜线的电流检测

集成了每相的电流检测

具有八个精度达到 250ps 的 DPWM

32 位 32 兆的 ARM7

多通道 12 位

速度高达 256 ksps 的通用 ADC

片上集成了欠压关机和复位的功能

供电采用 3.3V

片上集成了电源参考和振荡器

有两个 UART 口和可编程的 PMBus 接口

最大开关频率可以达到两兆

频率的分辨率可以达到 4ns

外部中断以及失效的输入输出

芯片的工作温度

范围覆盖标准的 -40 度到 125 度范围

封装采用 64 pin 或者 40 pin 的 QFN

节省芯片功耗的功能等等

以上罗列的 UCD3138 的这些特性

适合应用于汽车

以及服务器双向 DC-DC 变换器中

下面介绍这两种拓扑的控制信号部分

有三个控制环路

电流环 12V 电压环 48V电压环

其中电流环是 4 项电流的和

当电压达到设定点之前

变换器工作在恒流模式

采样每一相电流用于均流

电流的运行通过数字通信

或者 ADC 的输入

对于软开关模式的运行还需要额外的控制

主要有三点

第一 轴向负电流的检测

第二 PWM0 编辑负电流的门槛值

比较器的输出接到 sink 脚

第三 sink 脚的信号用于变频控制

这一页主要介绍多相交错时

电流纹波和选择相位的关系

左边这张图可以看到当两相交错时

电感电流纹波的加和减小了接近一半

右边这张图列出了选择的相位数

和电感电流纹波加和的关系

占空比直接决定了相位数的选择

我们这个设计的输入输出是 48V 和 12V

所以从图中可以看到

选择 4 的倍数时电感的电流纹波的加和最小

考虑到功率以及成本

这个设计选用四相交错并联

下面这张图介绍了具体的 UCD3138

硬件电路之间的分配

三个环路包括四相电流的加和

以及 12V 48V 送到 EADC

4 对 DPWM口用于控制四相主电路的

八个开关管

ADC 采样的信号包括 48V 和 12V 电压

每一相的电流 pcb板的温度 MOSFET 的温度

sink 的信号做电平的控制

以及使能引脚和方向引脚选择

IO 输出的 Switch 开关

作为 12V 电池的防反接功能

PWM0 1 用作负电流的检测门槛值的设定

最后即为错误保护的信号

以上内容即为 UCD3138 的控制部分

谢谢大家

大家好

我是德州仪器的系统工程师 David

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TI 双向 DC-DC 变换器拓扑的设计和对比

今天主要讲解

双向 DC-DC 变换器的控制部分

这两种拓扑都是基于 UCD3138 来控制的

UCD3138 是一个多功能的数字控制芯片

它由三个硬件数字环路

和一个基于 ARM7 的控制器组成

这三个数字环路可以独立运行

也可以串联运行

三个环路都带有 14 位的 DAC 参考

带有多参数设定的

双极点双零点 PID 滤波器

UCD3138 有三种控制模式

脉宽模式 移相模式 以及谐振模式

对于拓扑可以实现

恒压恒流和恒功率的控制

输入电压的前馈和检测

内部带有斜坡补偿的峰值电流控制

逐周波限流功能

八倍过采样或者平均的 EADC

带有硬件滤波以及

双重采样保持功能的 12 位 ADC

可以编辑自动 PWM-LLC 和

PWM 移相的开关模式

轻载运行时采用 Burst 模式

内部集成了铜线的电流检测

集成了每相的电流检测

具有八个精度达到 250ps 的 DPWM

32 位 32 兆的 ARM7

多通道 12 位

速度高达 256 ksps 的通用 ADC

片上集成了欠压关机和复位的功能

供电采用 3.3V

片上集成了电源参考和振荡器

有两个 UART 口和可编程的 PMBus 接口

最大开关频率可以达到两兆

频率的分辨率可以达到 4ns

外部中断以及失效的输入输出

芯片的工作温度

范围覆盖标准的 -40 度到 125 度范围

封装采用 64 pin 或者 40 pin 的 QFN

节省芯片功耗的功能等等

以上罗列的 UCD3138 的这些特性

适合应用于汽车

以及服务器双向 DC-DC 变换器中

下面介绍这两种拓扑的控制信号部分

有三个控制环路

电流环 12V 电压环 48V电压环

其中电流环是 4 项电流的和

当电压达到设定点之前

变换器工作在恒流模式

采样每一相电流用于均流

电流的运行通过数字通信

或者 ADC 的输入

对于软开关模式的运行还需要额外的控制

主要有三点

第一 轴向负电流的检测

第二 PWM0 编辑负电流的门槛值

比较器的输出接到 sink 脚

第三 sink 脚的信号用于变频控制

这一页主要介绍多相交错时

电流纹波和选择相位的关系

左边这张图可以看到当两相交错时

电感电流纹波的加和减小了接近一半

右边这张图列出了选择的相位数

和电感电流纹波加和的关系

占空比直接决定了相位数的选择

我们这个设计的输入输出是 48V 和 12V

所以从图中可以看到

选择 4 的倍数时电感的电流纹波的加和最小

考虑到功率以及成本

这个设计选用四相交错并联

下面这张图介绍了具体的 UCD3138

硬件电路之间的分配

三个环路包括四相电流的加和

以及 12V 48V 送到 EADC

4 对 DPWM口用于控制四相主电路的

八个开关管

ADC 采样的信号包括 48V 和 12V 电压

每一相的电流 pcb板的温度 MOSFET 的温度

sink 的信号做电平的控制

以及使能引脚和方向引脚选择

IO 输出的 Switch 开关

作为 12V 电池的防反接功能

PWM0 1 用作负电流的检测门槛值的设定

最后即为错误保护的信号

以上内容即为 UCD3138 的控制部分

谢谢大家