適合電源分配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的預(yù)測性能量平衡控制

電源完整性(PI)和電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)設(shè)計如今是所有高速、高性能和低噪聲電子電路設(shè)計的中心要素。取得最優(yōu)性能的第一條規(guī)則是保持電源分配路徑的阻抗幅度小于某個特定值，這個值通常被稱為目標阻抗。第二條規(guī)則是保持電源分配阻抗在頻域盡可能平坦。半導體公司正在試圖引入采用非線性控制、多個環(huán)路和滯后工作的新穩(wěn)壓器架構(gòu)來達到這個目的。一個令人感興趣的拓撲是Cognipower公司自主開發(fā)并已獲得專利的預(yù)測性能量平衡(PEB)控制器。

什么是PEB?

PEB控制算法從供需角度控制電壓轉(zhuǎn)換器的性能。就像在大多數(shù)開關(guān)轉(zhuǎn)換器中一樣，能量存儲在電感中，然后傳送到輸出端，并由輸出端的電容進行平均。存儲在電感中的能量為：

存儲在電容中的能量為：

PEB控制器根據(jù)需求建立要求的供電，并在每個開關(guān)周期中使這些等式相等。結(jié)果是一種“內(nèi)存較少”的控制，每個周期都是“從零開始”，因此在單個開關(guān)周期內(nèi)可形成完整的動態(tài)響應(yīng)恢復。輸出既沒有上沖，也沒有下沖。控制器本身就很穩(wěn)定，因為在控制功能中不需要增加補償極點。PEB控制計算框圖示于圖1。

圖1 PEB控制算法框圖

PEB控制可適應(yīng)多種開關(guān)拓撲，包括降壓拓撲和反激拓撲，并且可工作在非連續(xù)模式和連續(xù)模式。

為什么PEB符合PDN應(yīng)用要求

在PEB控制下的轉(zhuǎn)換器輸出阻抗函數(shù)基本上是一個與頻率無關(guān)的電阻，這與PDN應(yīng)用的目標是一致的。這個固定電阻是電感與電容之比的函數(shù)。單周期響應(yīng)可獲得最快可能的恢復時間，這也非常符合PDN應(yīng)用要求。圖2和圖3顯示了平坦的阻抗曲線，采用的是低功耗、非連續(xù)模式的PEB演示板(這個測量結(jié)果由Cognipower公司提供，不是為任何特定應(yīng)用設(shè)計的)。

圖2：上軌跡(粉紅)是輸出電壓響應(yīng)，中間軌跡(黃色)是負載電流，下軌跡(綠色)是電感電流。注意，高頻沒有被濾除，為的是提供不變的控制器響應(yīng)。

圖3：針對300mΩ輸出阻抗調(diào)節(jié)后的演示板負載階躍響應(yīng)。注意，沒有上沖或下沖。為了去除紋波得到純凈的波形，對輸出電壓進行了平均處理。

通過修改演示板的電感和電容值，設(shè)定好300mΩ的目標阻抗，然后將演示板放進探測夾具。

根據(jù)18mV電壓偏移和58mA電流階躍計算出來的被測轉(zhuǎn)換器阻抗約為320mΩ。通過平均這個測量結(jié)果去除輸出紋波電壓后就可以得到純凈的波形。注意，電壓響應(yīng)中一點都沒有上沖或下沖現(xiàn)象，見圖3。

雖然這個例子提供了代表低功耗應(yīng)用的300mΩ輸出阻抗，但PEB控制可以針對任何功耗電平進行調(diào)整。運算要求也很低，可以采用數(shù)字或模擬電路實現(xiàn)。想必控制器能夠集成進單片芯片中。

PEB控制器是獨立于硬件的，允許控制硅MOSFET功率級電路，或用于更高頻率工作和具有最佳效率的氮化鎵功率級電路。PEB控制器還可以用作支持動態(tài)電壓編程的放大器，同樣不會有上沖或下沖。當為PDN應(yīng)用考慮許多新的開關(guān)拓撲時，PEB控制可以提供諸多有用的好處。希望未來能夠進一步拓展這個拓撲。