修改我們的開關(guān)電源架構(gòu)以改善瞬態(tài)響應(yīng)，第二部分

盡管輸出電壓隨負(fù)載的變化在美學(xué)上令人不快，但該模型相對于前一個(gè)模型的優(yōu)勢是巨大的。它包含相同限制之間的輸出電壓，具有幾乎兩倍的 ESR，并且當(dāng)我們將它們與允許的偏差進(jìn)行比較時(shí)，誤差源和紋波電壓會變小，這通常是這種情況。將近兩倍的 ESR 意味著輸出電容器的數(shù)量幾乎減少了一半，從而大大降低了成本和尺寸。剩下的問題是：我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)電源以具有此特性?

一種方法是放松負(fù)載調(diào)節(jié)以幫助控制負(fù)載瞬態(tài)。然而，這種方法受到負(fù)載瞬態(tài)帶寬限制和不準(zhǔn)確性的影響。因此，為了傳達(dá)看似較差的負(fù)載調(diào)節(jié)帶來的潛在好處，我們可以使用電壓定位 方法。盡管使用這種方法不足以實(shí)現(xiàn)最佳電源模型的性能，但它可以讓我們深入了解必須如何修改電源。

實(shí)現(xiàn)電壓定位最直接的方法是在固定電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)和負(fù)載之間添加一些串聯(lián)電阻。在輸出電容器和負(fù)載之間增加電阻會破壞減少瞬態(tài)抑制的目的。相反，我們應(yīng)該在電感器和輸出電容器之間增加電阻。然后，這種方法會調(diào)節(jié)添加的電阻器和電感器連接處的輸出電壓，因此會隨著負(fù)載的增加而降低。只有輸出電容器提供初始瞬態(tài)電流，從而產(chǎn)生與 ESR 成正比的電壓降，該電壓降可能不小于必要值。因此，還希望電路在瞬態(tài)穩(wěn)定后以相同的比例降低其輸出電壓。這種情況意味著增加的，或“下垂的，

如果我們不正確地選擇或控制增加的下垂阻力，此實(shí)施會產(chǎn)生令人失望的結(jié)果。這個(gè)因素部分解釋了對最常見的電壓定位技術(shù)的不熱情接受：使用走線電阻來產(chǎn)生電壓降。跡線電阻通常對印刷電路板制造批次和溫度的耐受性較差。如果電阻必須很大，也可能難以通過印刷電路板布局產(chǎn)生足夠的電阻。

這種實(shí)施方式的另一個(gè)不受歡迎的特點(diǎn)是，電源通過印刷電路板走線電阻或使用分立電阻器被動地完成電壓定位。該電阻必須產(chǎn)生整個(gè)電壓降。當(dāng)所需電阻較大時(shí)，該電阻的功耗可能會成為問題。術(shù)語“無源電壓定位”將這種技術(shù)與混合技術(shù)區(qū)分開來，這對科學(xué)界來說是令人失望的。此外，應(yīng)用文獻(xiàn)通常會推薦一個(gè)模棱兩可的抗下垂值，該值遠(yuǎn)低于應(yīng)有的值，這也讓科學(xué)界感到失望。這種模棱兩可的存在可能是因?yàn)闆]有人令人滿意地解釋由此產(chǎn)生的負(fù)載調(diào)節(jié)特性降低，因此，下垂阻力仍然帶有性能不佳的標(biāo)志。在正確的電壓定位和設(shè)計(jì)人員習(xí)慣性地收緊負(fù)載調(diào)節(jié)之間通常存在任意且控制不佳的折衷。

該技術(shù)的另一個(gè)基本但有問題的特征與理想模型不同?？紤]從靜態(tài)條件開始的空載到滿載瞬態(tài)。初始瞬態(tài)電流首先從輸出電容器流出，輸出電壓相應(yīng)下降。起初，電源仍然沒有顯著增加其電流，因此它沒有看到下垂電阻上的電壓降，因此響應(yīng)將輸出電壓校正回零負(fù)載調(diào)節(jié)水平。這種情況會在輸出濾波器中產(chǎn)生電流的線性上升。由于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的鋁電解電容器上存在阻抗的 ESR，因此在負(fù)載瞬態(tài)導(dǎo)致下降后，電流的這種上升會立即產(chǎn)生輸出電壓的線性上升。

這種情況不會無限期地持續(xù)下去。電感器電流最終會達(dá)到它處理一半負(fù)載電流的點(diǎn)，而另一半電流仍從輸出電容器流出。此時(shí)，輸出電壓在電壓開始的位置和初始下降后的位置之間的大致中點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是電壓不能在那里穩(wěn)定下來，因?yàn)殡娙萜魅栽谔峁╇娏?。然后電壓以指?shù)衰減和等于輸出電容器電容與 ESR 和下降電阻之和的時(shí)間常數(shù)穩(wěn)定回到初始下降水平。

到目前為止，我們可以輕松地將電壓控制在類似于理想模型的限制范圍內(nèi)，但電源的輸出阻抗不是電阻性的。輸出電壓在瞬態(tài)后穩(wěn)定之前反彈。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)重復(fù)率在電源電壓的回彈響應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生初始瞬態(tài)的反轉(zhuǎn)時(shí)，就會出現(xiàn)問題。對于典型的微處理器電源設(shè)計(jì)，這個(gè)時(shí)間是 10 到 20 微秒，正好在微處理器可以逆轉(zhuǎn)其電流需求的時(shí)間內(nèi)。如果發(fā)生這種情況，輸出電壓會產(chǎn)生與電源穩(wěn)定時(shí)相同幅度的瞬變，并且此瞬變會使輸出電壓超出我們想要施加的限制。效果是雙向的。因此，當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)之間的重復(fù)時(shí)間與電源的響應(yīng)時(shí)間在同一范圍內(nèi)時(shí)，我們將失去用于瞬態(tài)抑制的無源電壓定位的好處。

一條重要的線索告訴我們通過考慮電源輸出電壓反彈的趨勢來做什么。當(dāng)電源對瞬態(tài)過度響應(yīng)時(shí)，就會出現(xiàn)這種反彈特性。我們需要對此響應(yīng)進(jìn)行良好控制的減速，以實(shí)現(xiàn)純電阻輸出阻抗所產(chǎn)生的“即時(shí)穩(wěn)定”特性。同樣，我們無需設(shè)計(jì)電源的開關(guān)頻率即可將開關(guān)推至其可以承受的開關(guān)損耗極限。

如果我們沿著科學(xué)路線前進(jìn)，我們將分析電源以確定如何補(bǔ)償它。我們會發(fā)現(xiàn)，要?jiǎng)?chuàng)建具有所需性能的電源開關(guān)，我們必須有一個(gè)足夠精確的電流感應(yīng)元件來定位電壓。我們還需要一個(gè)具有負(fù)載電流信息的控制回路來控制理想響應(yīng)。最后，我們需要一種標(biāo)準(zhǔn)的峰值電流控制技術(shù)，該技術(shù)具有簡單的單極點(diǎn)補(bǔ)償，等于輸出電容及其 ESR 的零值，以及有限的直流增益。

利用環(huán)路中的電流信息，我們可以使用有源而不是無源電壓定位，將輸出電壓調(diào)節(jié)為負(fù)載電流信息的函數(shù)，環(huán)路可以根據(jù)需要放大這些信息以產(chǎn)生所需的電壓降。使用 Analog Devices ADP3152 電源控制 IC，我們可以測試這種最佳有源電壓定位 (OAVP) 技術(shù)的結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了IC已經(jīng)達(dá)到了理想的模型特性。電感隨負(fù)載的變化在廉價(jià)的鐵粉環(huán)形磁芯中很常見，并且會改變紋波電壓，但不會降低最佳瞬態(tài)性能。

電壓定位的一個(gè)意想不到的額外好處是最大負(fù)載耗散更低。電源達(dá)到其最小電壓，而不是僅在最大負(fù)載下調(diào)節(jié)到標(biāo)稱電壓。在微處理器等數(shù)字負(fù)載中，電流與其電源電壓成比例減小。這個(gè)動作導(dǎo)致負(fù)載耗散減少了電壓的平方。對于允許的電源變化為 5% 或更多的負(fù)載，這種減少反過來又可以顯著減少散發(fā)的熱量。或者，這種方法可以讓我們在固定熱設(shè)計(jì)中提高熱限制負(fù)載的性能。與標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)相比，即使電阻器的額外功耗也使總功耗更小。

OAVP 電源的成功實(shí)施和對其性能的可靠預(yù)測不需要控制器硬件有什么特別之處，但確實(shí)需要我們遵循獨(dú)特的設(shè)計(jì)和分析程序。

隨著更快和更奇特的電源響應(yīng)控制架構(gòu)的魅力，我們可能不會想到快速瞬態(tài)抑制性能領(lǐng)導(dǎo)者是一種樸實(shí)無華但不一定快速、易于補(bǔ)償?shù)碾娫?，似乎受到?fù)載調(diào)節(jié)不良的影響. 但是我們可以獲得所有這些功能以及更多功能，包括更低的最大負(fù)載耗散，從而提高系統(tǒng)可靠性，并且是在微處理器等功率受限應(yīng)用中提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。