德州仪器UCD9112双相同步降压数字控制器评估模块深度解析

在电子工程领域，电源管理一直是至关重要的环节。德州仪器（Texas Instruments）的UCD9112双相同步降压数字控制器评估模块（UCD9112EVM）为工程师们提供了一个强大的工具，用于评估和开发高性能的电源解决方案。本文将深入探讨该评估模块的各个方面，包括其功能、性能、测试和使用方法。

文件下载：UCD9112EVM.pdf

评估套件内容

UCD9112评估套件包含了进行评估所需的所有关键组件：

1. UCD9112双相负载点EVM：核心评估板，集成了UCD9112控制器及相关电路。
2. 通用串行总线（USB）接口适配器：用于与主机进行通信。
3. 带状电缆：连接评估板和USB接口适配器。
4. USB电缆：提供电源和数据传输。
5. CD：包含TI-Fusion-Digital-Power-Designer程序和参考文档。
6. 用户指南：详细介绍了评估模块的使用方法和技术细节。

EVM功能概述

UCD9112EVM专为40A同步降压转换器设计，具有以下特点和应用场景：

特点

• 宽输入电压范围：支持5V至14V的输入电压，适应多种电源环境。
• 可配置输出电压：输出电压范围为0.4V至4V，满足不同负载的需求。
• 双相设计：最大输出电流可达40A，提供高效的功率转换。
• PMBus命令实现：支持PMBus通信协议，方便进行远程配置和监控。
• 可配置软件GUI：通过TI-Fusion-Digital-Power-Designer软件，用户可以轻松配置设备参数。
• 数字PID补偿：实现精确的电压调节和动态响应。
• 方便的测试点：便于进行各种电气参数的测量和调试。

应用

• 电信设备：为通信设备提供稳定的电源。
• 服务器电源：满足服务器高功率需求。
• 网络设备：保障网络设备的可靠运行。
• 数据通信：为数据中心提供高效的电源解决方案。
• 直流电源分布式系统：适用于分布式电源架构。
• 存储系统：为存储设备提供稳定的电源支持。

电气性能规格

UCD9112EVM的电气性能规格如下表所示：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围	IOUT = 30 A, VOUT = 1 V, TA = +25°C	5	12	14	V
输出电压范围	VIN = 12 V; IOUT = 20 A	0.4	1.0	4	V
输出电流	VIN = 12 V; VOUT = 1 V	0	40	A
输出电压纹波	VIN = 12 V; BW = 20 kHz; IOUT = 30 A	±10			mV
下冲/过冲	VOUT = 1 V, VIN = 12 V, SR = 2.5 A/μs, 10 A - 30 A - 10 A	±30			mV
恢复时间				30	μs
设置精度	VIN = 12 V, VOUT = 1 V, IOUT = 10 A	±0.5			%
负载调节率	VIN = 12 V, VOUT = 1 V (from 0 A to 40 A)	±5			mV
线性调节率	VOUT = 1 V, IOUT = 20 A (from 5 V to 14 V)	±2			mV
相电流平衡	VOUT = 1 V, IOUT = 30 A; 相电流差	1.5			A
效率	VIN = 12 V, VOUT = 1 V, IOUT = 30 A, fSW = 500 kHz	85			%
开关频率	VIN = 12 V, VOUT = 1 V	500			kHz
工作温度范围	VIN from 5 V to 14 V, VOUT = 1 V, IOUT = 40 A	-40		+85	°C

这些规格为工程师提供了评估模块性能的重要参考，在实际应用中，我们可以根据这些参数来判断模块是否满足设计需求。

检查UCD9112EVM

跳线说明

评估板上的跳线用于选择不同的电源和控制选项，具体如下：	参考设计号	默认连接	功能
J5	Pin 1 to Pin 2	选择USB提供的3.3V电源给控制器
	Pin 3 to Pin 2	选择UCD7230提供的3.3V电源给控制器
J6	Pin 1 to Pin 2	选择Phase 1的UCD7230提供的3.3V电源
	Pin 3 to Pin 2	选择Phase 2的UCD7230提供的3.3V电源
J7	Pin 1 to Pin 2	选择8.0V调节器驱动Phase 2的UCD7230
	Pin 3 to Pin 2	选择直流输入电源驱动Phase 2的UCD7230
J8	Pin 1 to Pin 2	选择8.0V调节器驱动Phase 1的UCD7230
	Pin 3 to Pin 2	选择直流输入电源驱动Phase 1的UCD7230
J9	Pin 9 to Pin 10	选择用于PMBus的控制线
J10	Pin 1 to Pin 2	选择内部USB 3.3V作为电源良好的上拉
	Pin 3 to Pin 2	选择外部偏置作为电源良好的上拉

测试点说明

评估板上的测试点方便用户进行各种电气参数的测量，包括输入电压、输出电压、PWM波形等。以下是部分测试点的说明：	参考设计号	符号	名称	描述
TP1	VIN	输入直流电源正极
TP2	PGND_IN	输入直流电源地
TP3	AO_2	Phase 2的UCD7230电流输出
TP4	VOUT	输出直流电源正极
TP5	VOUT	输出电压测量（探头）
TP6	CLF_2	Phase 2的UCD7230 CLF信号
TP7	PGND_OUT	输出直流电源地
TP8	AO_1	Phase 1的UCD7230电流输出
TP9	V_Track+	跟踪用的父电压输入
TP10	Rmt_Anode	远程温度传感
TP11	Vrs+	输出电压正远程传感
TP12	DATA	PMBus数据线
TP13	CLK	PMBus时钟线
TP14	Vrs-	输出电压负远程传感
TP15	Alert	PMBus警报线
TP16	PGOOD	内部开放连接器
TP17	DPWM_A0	Phase 1上FET的DPWM信号
TP18	SR1	Phase 1的SRE信号
TP19	DPWM_A1	Phase 2上FET的DPWM信号
TP20	SR2	Phase 2的SRE信号
TP21	V_PGOOD	外部开放连接器
TP22	CLF_1	Phase 1的UCD7230 CLF信号
TP23	FAN_TACH	FAN TACH输入用于监控
TP24	GND	信号地
TP25	ILIM	到UCD7230的电流限制用于峰值电流保护
TP26	FAN_PWM	FAN PWM输出用于速度驱动

LED说明

• 输入电源LED（D1）：绿色LED，当输入电压足够为评估板供电时点亮，输入电压范围为5V至14V。
• USB LED（D6）：绿色LED，指示PMBus已连接到评估板。
• 警报LED（D7）：红色LED，当发生故障或通信错误时点亮，此时评估板将关闭。

安装Fusion-Digital-Power-Designer

TI-Fusion-Digital-Power-Designer是一个图形用户界面（GUI）软件，用于配置和监控UCD9112EVM。安装步骤如下：

1. 从套件附带的CD或TI网站（www.ti.com）下载TI-Fusion-Digital-Power-Designer软件。
2. 将下载的文件复制到计算机并解压。
3. 执行TI-Fusion-Digital-Power-Designer xx.exe（xx为固件版本）开始安装。
4. 按照屏幕提示完成安装。

安装完成后，桌面上会出现GUI图标。首次初始化软件时，可以查看Fusion Digital Power Designer用户手册，也可以通过帮助菜单访问该手册。

测试设置

推荐的PC工作站

• 操作系统：Microsoft Windows® XP（或更高版本）。
• USB端口：至少一个可用的USB端口。
• .NET Framework：版本2.0，用于支持GUI软件的运行。

推荐的测试设备

• 直流电源：电压范围为0V至15V，最大输出电流设置为20A。
• 负载：可以使用电子负载（额定电流大于40A，最高5V）或电阻负载。
• 仪表和分流器：包括输入电压表（0V至15V）、输出电压表（0V至5V）和电流分流器，用于精确测量输入和输出电流。
• 示波器：用于测量输出纹波和阶跃响应，探头阻抗为1MΩ，带宽设置为20MHz。
• 其他设备：测试跟踪功能需要额外的直流电源，测试风扇功能需要PWM风扇。

设备连接

输入电压连接

1. 在连接直流输入电源之前，确保VIN初始设置为0V。
2. 为了更精确地测量电流，建议使用电流分流器。将VIN正极连接到分流器的一端，然后用AWG #16线将分流器的另一端连接到J1。
3. 在分流器两端连接电压表V3。
4. 用AWG #16线将J2连接到VIN负极。

输出负载连接

1. 将负载设置为恒流模式，负载电流设置为0A。
2. 用AWG #14线将J3连接到负载的正极。
3. 用AWG #14线将J4连接到负载的负极。

仪表和探头连接

• 电压表V1连接到TP1和TP2，用于测量输入电压。
• 电压表V2连接到TP4和TP7，用于测量输出电压。
• 使用探头插入TP5，通过示波器测量输出电压纹波。

USB适配器连接

1. 将带状电缆的一端连接到J10，另一端连接到USB接口适配器。
2. 将USB电缆的迷你连接器连接到USB接口适配器，A连接器连接到主机的USB端口。

测试和评估程序

EVM启动

1. 按照设备连接部分的步骤进行正确连接。
2. 打开输入直流电源，将输入电压设置为12V。此时两个绿色LED应点亮，表示EVM正常工作。
3. 双击主机上的GUI图标，打开GUI界面。
4. 参考德州仪器的应用报告“PMBus Support in UCD911X Family of Digital Power Controllers (SLUA427)”获取更多详细信息。

EVM评估程序

负载调节率测试

通过GUI控制部分的“ON”按钮打开输出电压（默认设置为1V），使用电压表V2测量输出电压。改变负载电流从0A到40A，记录电压表V2的读数，计算负载调节率。

线性调节率测试

将负载电流设置为固定值，将输入电压从5V增加到14V，记录电压表V2的输出电压读数，计算线性调节率。

输出电压纹波测试

使用标记为TP5的示波器插孔测量输出纹波。TP5具有非常短的接地回路，可最小化噪声耦合。探头的尖端应连接到板上套管处的正输出电压，金属接地桶连接到板上金属环处的接地。示波器应设置为20MHz带宽的交流耦合触发。

瞬态响应测试

使用与输出电压纹波测试相同的探头设置。选择预期的阶跃负载进行瞬态测试，并设置适当的斜率。

效率测量

为了评估效率，需要精确测量输入功率和输出功率。使用电流分流器测量输入电流，读取分流器两端的电压（单位：mV），然后将结果转换为电流测量值。输出电流可以通过电流分流器或负载电流计测量（如果负载设置为恒流模式且具有Kelvin连接器）。效率计算公式为： [Efficiency eta=frac{I{OUT } × V{OUT }}{V{IN } × I{IN }}]

输出电压设定点测试

可以使用GUI配置程序更改输出电压。例如，将输出电压从1V更改为1.5V的步骤如下：

1. 点击屏幕左下角的“Configure”按钮。
2. 点击“Basic Configuration”，在过压警告框中输入1.6，过压故障框中输入1.7，Vout框中输入1.5。
3. 点击“Write to Hardware”确认所有更改。如果需要将配置保存到非易失性存储器中，点击“Store RAM to Flash”。

风扇速度测试

UCD9112支持风扇速度调节和监控。以SanyoDenki [109P0412P3033]的四引脚PWM风扇为例，测试步骤如下：

1. 将风扇的接地（黑色）连接到GND（TP24），风扇转速信号（黄色）连接到FAN_TACH引脚（TP23），风扇PWM输入（棕色）连接到FAN_PWM引脚（TP25），最后将12V电源连接到风扇电源（红色）。
2. 在配置页面点击“Advanced Configuration”，更改两个相关参数。第一个参数FAN_CONFIG_1_2的默认设置为风扇未安装（0x10），将其更改为0x90以安装风扇。第二个参数FAN_COMMAND_1用于通过更改PWM占空比来改变风扇速度。
3. 在监控页面可以看到风扇速度读数（单位：RPM）。如果风扇速度低于FAN_SPEED_FAULT_LIMIT [MFR24]命令设置的限制，将触发风扇故障并在GUI上显示。

跟踪测试

UCD9112EVM提供了评估UCD9112跟踪功能的能力。测试步骤如下：

1. 将直流电源的正极连接到V_track+引脚（TP9），负极连接到GND引脚（TP24）。
2. 在配置页面点击“Advanced Configuration”，从TRACKING_ENABLE [MFR 19]框中选择“ENABLE”。输出电压将跟随施加到V_track+引脚（TP9）的电压，该引脚的电压应小于4V。

控制环路增益和相位裕度测量

使用网络分析仪创建环路传递函数的波特图，步骤如下：

1. 将网络分析仪的输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP4或TP11。
2. 将网络分析仪的输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP11或TP4。
3. 将通道A和通道B的接地引线连接到信号地（TP24）。
4. 通过隔离变压器在电阻R46两端注入25mV信号。
5. 以10Hz或更小的后置滤波器将频率从500Hz扫描到1MHz。

网络分析仪将生成增益和相位图，从而可以测量相位裕度、增益裕度和交叉频率。如需重新设计补偿环路，请参考应用报告“Designing the Digital Compensator for UCD91xx-based Digital Power Supply (SLUA416)”获取更多详细信息。

EVM配置

EVM的操作参数可以通过GUI进行配置，具体可参考Fusion Digital Power Designer用户手册。

EVM关机

评估完成后，通过控制命令选择“OFF”关闭输出电压，关闭输入电压，并断开其他设备的连接。

典型性能特性

UCD9112EVM的典型性能特性包括线性调节率、负载调节率