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自动校准程序节省AC/DC电源变换器设计和制造的时间和成本

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作者:Brendan Daly


AC/DC电源变换器设计工程师使用微调电位器校准差模误差和共模误差,它们需要由操作人员在生产过程手工调整消除失调误差和增益误差。这些误差是由于非理想元件引起的,例如,电流检测电阻器和运算放大器。这是是一个浪费成本和浪费时间的调整过程,最后仍会留下误差。当机械应力造成微调电位器的数值改变时,在工作现场也会出现误差。新的电源控制集成电路(IC)具有通过SMBbus总线对电源进行设置能够完成这种调整和校准的能力。现在已经开发出自动完成这种调整过程的软件校准程序和接口硬件。本文介绍了一种软件程序如何与ADM1041 电源控制器IC和一个模数转换器(ADC)一起工作来实现这种自动校准过程。它还控制一个可在校准期间按需要施加负载的开关。这样保证了可靠性、可重复性、低成本和快速地校准和调整,同时也提高了调整精度。本文还介绍了如何能够将该电源变换器设置成具有其系统监视功能〔例如,过流保护(OCP)〕和故障监视功能的完整设备。图1示出校准设备的框图。

图1 . 校准设备框图
图1 . 校准设备框图

共模调整
当使用一个检测电阻器和电流检测放大器检测高端电流时,必需进行共模调整。这样做的目的是使共用总线电压仅随负载电流变化,并且与负载电压变化无关。

电流检测调整问题对于电源至关重要。对精度突出要求是由于在一个10 mV信号的系统中必须消除高达40 mV的共模误差。按照正确的顺序进行调整也很重要。首先需要进行共模调整,以便消除后面共用总线要求的差模调整引起的误差。

高端电流检测需要一个电阻分压网络以便电流检测放大器输入端提供正常电压。这种调整能够消除外部电阻分压网络以及内部电流检测放大器引起的误差。图2示出一个理想的电阻分压网络。

图2. 理想的电阻分压网络
图2. 理想的电阻分压网络

考虑如果图2中有一个电阻器由于1%允许误差对输出端产生误差的影响。在本例中,这在共用总线输出端相应产生10% 的误差(见图3)。产生这样大的输出误差的原因是由于输入信号被放大(对输出有用的)100倍。因此任何误差也同样被放大。

图3. 非理想电阻器构成的分压网络
图3. 非理想电阻器构成的分压网络

如果四个电阻器的阻值全都不精确会使问题扩大。如果这些阻值误差导致高端输入低于低端输入,情况会进一步复杂化。ADM1041允许改变斜率调整的极性以处理这个问题。输入放大器也有与自身相关的误差。为此,ADM1041允许利用其各自的寄存器单独地调整共模失调和斜率。 ADM1041还允许通过设置另一个寄存器来改变输出电压。由于使用ADM1041寄存器能改变输出电压,所以用户能够模拟在电源中可能出现的最大共模误差。

在共模误差调整期间,电源输出是开通的,不施加负载电流。有些失调误差是暂时引入的,会在校准的最后予以消除。通过软件设置ADM1041改变输出电压,以便模拟共模误差变化。利用ADC记录最大输出电压和最小输出电压,并且将结果反馈给软件。软件能够确定斜率应当具有的极性。然后将共模斜率寄存器设置为一个已知的量(例如,100 LSB)。再次记录最小电压和最大电压,根据这些测量结果,软件能够计算出消除共模误差所需要的正确的斜率,见图4。

调整共模误差的步骤如下:

  1. 开通电源输出,不施加负载电流。
  2. 为寄存器Reg 15h 设置某个失调值,例如C0h,这个VSHARE 电压可从接地端去除。
  3. 设置寄存器Reg 19h使Vout = VMAX,读出VSHARE 电压值,结果记为 A。
  4. 设置寄存器Reg 19h 使Vout = VMIN,读出VSHARE电压值,结果记为B。
  5. 如果A > B,那么设置寄存器Reg 16h 极性为单极性。
  6. X = A-B。
  7. 将寄存器Reg 14h 增加100 bit(设置Reg14h = 64h)以便引入暂时失调。
  8. 设置寄存器Reg 19h 使Vout = VMAX,读出VSHARE ,结果记为C。
  9. 设置寄存器Reg 19h 使Vout = VMIN,读出VSHARE ,结果记为 D。
  10. Y = C-D。
  11. X 应大于Y。如果不大于,那么Reg16h的极性设定不正确。
  12. 将Reg14h 增加100步长,从(A-B)到(C-D)的操作中减去误差。
  13. 计算在Reg14h中一个bit 变化引起的改变,结果记为1STEP。
  14. 步数#_STEPS  =(A-B)/1STEP。
  15. 将Reg 14h 设置为“#_STEPS  ”。
  16. 共模误差现在已经被校准。设置Reg15h为00h,这样消除前面引入的失调。
  17. 检验经过校准的共模误差。
  18. 设置Reg 19h使Vout = VMAX,读出VSHARE ,结果记为E。
  19. 设置Reg 19h 使Vout = VMIN,读出VSHARE ,结果记为F。
  20. E-F 应等于0。

图4 共模误差调整图
图4 共模误差调整图

负载电压调整
进行负载电压调整是为了使负载电压设定为正确的值。另外,电压检测输入的电阻分压网络也会引起误差,正如输入放大器本身会引起误差一样。ADM1041允许调整负载电压。在一个12 V系统中,控制器IC的输出电压分辨率可以达到12 mV(0.1%误差)。这在240 mV(2%误差)典型需求内通常是很好的。精确调整负载电压使电流共用系统更为平衡。这会提高产品在 电流共用和热平衡方面的可靠性。利用这种调整,还可以有意在输出电压中引入一个偏移量,以补偿线路损失。

软件首先设置负载电压的零衰减。通过ADC,先测量负载电压,然后对ADM1041设置一些衰减(例如,50 LSB)。(用50 LSB代替1 LSB可以达到更精确的结果,因为测量的是平均值)。利用ADC再次测量新的负载电压。根据这两次测量结果,软件能够准确地计算出一个LSB产生的衰减量。因而可以计算出达到要求的负载电压所需要的衰减量。对ADM1041设置这个衰减值。因此在电源输出端就会得到正确的负载电压。

负载电压调整的步骤如下:

  1. 接通电源输出,施加一半的负载电流。
  2. 将寄存器Reg 19h 设置为00h,读出Vout,结果记为A。
  3. 将Reg19h步长增加为100。Reg19设置为64h,读出Vout,结果记为B。
  4. (A –B)就以100步长负载电压的变化量。
  5. 单步长ONE_STEP =(A –B)/ 100,这是一个步长负载电压的变化量。
  6. 计算设置Reg19h的步长数NUM_STEPS以得到正确输出电压,公式NUM_STEPS =(A – Vdesired)/ ONE_STEP。
  7. 将Reg19h 设置为NUM_STEPS。
  8. 输出电压现在应当被设置为正确的值。

差模调整(共用总线调整)
进行差模调整是为了使共用总线电压对于给定的负载电流达到准确。如果检测电阻不精确,就会造成误差。应该将这些误差消除。通过前面进行的共模调整,共模误差已经消除。共用总线指标还随着设计的不同而变化。通过寄存器能够校准共用总线意味着相同的电路可用于不同的共用总线,而且只需改变寄存器内容。使用外部运算放大器的共用总线,电压范围大于5 V,也可以用这种方法进行调整。和共模调整的情况一样,差模调整也通过一个独立的寄存器对共用总线失调和斜率进行独立调整。校准期间需要施加和撤去负载,可以使用一个能在SM总线上通讯的开关(例如,ADG715)根据需要来施加或撤去负载。

在调整过程开始之前,软件需要知道系统的某些指标。它要请求无负载和满负载共用总线电压指标。开通电源输出,不施加负载。第一步是设定无负载共用总线电压。ADM1041上有一个专用于此的寄存器。这样,当共用总线失调寄存器变化1 LSB时,软件就利用ADC 测量共用总线电压的变化。根据测量结果,软件计算出将共用总线无负载电压调整为要求值所需要的LSB数,然后将其设置到共用总线失调寄存器。

下一步是校准满负载共用总线电压。此时,软件与连接满负载与电源的开关通讯。共用总线电压由ADC测量,结果送回软件。ADM1041的共用斜率寄存器增加一个设定的LSB数(例如,20)。再次由ADC测量共用总线电压,结果送回软件。根据这两个测量结果,软件计算出将共用总线满负载电压调整到要求值所需要的LSB数,然后将其设置到共用总线斜率寄存器,见图5。

在这一点上经常需要作进一步的调整。引入斜率会稍微影响失调值。因此,无负载总线电压可能会发生变化。软件可以通过重新将失调设置为要求值以及再次重新调整斜率来对其进行补偿。

共用总线可调整到许多其它指标。许多电源指标是针对于微小负载(例如,10%负载)而不是无负载。用户以连接微小负载代替无负载时,可用相同的开关配置实现这种调整。

差模调整的步骤如下:

  1. 接通电源输出,不施加负载电流。
  2. 设置Reg 05h为00h,读出Vshro电压,结果记为A。
  3. 将Reg 05h增加到01h,读出Vshro电压,结果记为 B。
  4. 单步长ONE_STEP =(A –B)。
  5. 步长数NUM_STEPS =(VSHRO_MIN - A)/ ONE_STEP。
  6. 设置Reg05h为NUM_STEPS。
  7. 施加满负载电流,读出Vshro,结果记为C。
  8. 将Reg06增加20步长,读出Vshro,结果记为D。
  9. ONE_STEP =(C- D)/20。
  10. NUM_STEPS =(VSHRO_MAX –C)/ ONE_STEP。
  11. 将Reg06h设置为NUM_STEPS,Vshro现在应等于VSHRO_MAX
  12. 差模调整结束。

图5. 共用总线差模调整
图5. 共用总线差模调整

其它调整和结束程序
通过校准软件还可以调整和同时设置过压保护(OVP),过流保护(OCP)和欠压保护(UVP)指标值。软件利用这种能力上下调整输出电压,以设置OVP和UVP 跳变点。这些也都可以通过它们自己专用的寄存器独立设定。

调整一旦结束,软件能够将所有调整内容写入片内EEPROM。这些寄存器还可锁定,以使其内容不能在现场或者被最终用户改变。这样进一步提高了安全程度。现在,已经全部完成对电源校准和调整,将来会在每次上电时使用这些数据。可以在生产环境中添加一个传感器以识别出现新的电源。这样作为触发器为生产线下一个电源重启整个程序。该程序可在自动测试设备(ATE)环境中执行。

结论
现在,我们可以对AC/DC 电源变换器进行完全自动的调整和校准。这种自动调整和校准方法提高了速度、降低了成本、增强了可靠并且提高了精度。

致谢
感谢ADI公司Marty Miranda,Anton Bakker和Brian Erisman对本文的贡献,也感谢Sara Saedinia(UC Berkeley)完成许多硬件和软件工作。

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