摘? 要: 隨著電壓調(diào)整模塊(VRM)輸入容量的越來(lái)越大和動(dòng)態(tài)要求的越來(lái)越嚴(yán)格，適應(yīng)降壓(AVP)控制在VRM中的應(yīng)用被人們重新認(rèn)識(shí)。本文對(duì)AVP控制策略的有源法和無(wú)源法進(jìn)行了理論分析，并采用一種新式檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)AVP控制,并通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)證實(shí)了AVP控制方法" title="控制方法">控制方法的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞: 電壓調(diào)整模塊? 降壓控制? 有源法? 無(wú)源法
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CPU和DSP對(duì)數(shù)據(jù)處理速度和容量的要求不斷提高，對(duì)電源模塊的供電要求也就相應(yīng)地提高了，主要體現(xiàn)在電源的輸出電流大小及其變化率和輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓峰-峰值上。采取的措施有多通道buck電路拓?fù)浜土己玫目刂品椒ǎ鏥2控制法和滯回控制法等，這樣可以改善電源的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能?提高電源效率。但是對(duì)于更低的輸出電壓?更大的電流動(dòng)態(tài)變化率，不可避免地要采用更大容量?更低ESR的電容以減少瞬態(tài)電壓峰-峰值。而大容量?低ESR電容增加了模塊的成本，占用更大的空間，不利于提高功率密度?；谝陨戏N種問(wèn)題，采用AVP方法[1～2](如圖1所示)使電源在滿載時(shí)電壓比所要求的最低電壓高，在空載或輕載時(shí)輸出電壓比所要求的最高電壓低，這樣不僅有利于電源模塊的熱設(shè)計(jì)，而且動(dòng)態(tài)過(guò)程電壓工作在窗口電壓內(nèi)，輸出電壓峰-峰值小?恢復(fù)時(shí)間短。但是文獻(xiàn)[1]提出的方法較為復(fù)雜，使用專用的控制芯片導(dǎo)致開發(fā)成本增加，文獻(xiàn)[2]提出的方法在實(shí)際應(yīng)用中電路效率較低。本文對(duì)AVP控制方法進(jìn)行深入分析，歸納總結(jié)出各種AVP的實(shí)現(xiàn)方法，并提出了一種新穎高效的控制方法，用實(shí)驗(yàn)證明AVP方法的優(yōu)越性。
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1 AVP控制有源法的分析[1]
AVP有源控制為雙環(huán)控制，其基本原理如圖2所示。通過(guò)檢測(cè)電感電流，根據(jù)降壓要求相應(yīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的基準(zhǔn)。輸出電壓跟隨基準(zhǔn)電壓而實(shí)現(xiàn)AVP控制。圖3為AVP有源控制的方塊圖，假設(shè)電流環(huán)" title="電流環(huán)">電流環(huán)增益為Ti，電壓環(huán)增益為Tv，則:
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由(2)/(1)可得:
此處Rc為輸出電容" title="輸出電容">輸出電容Co的等效電阻值，Ro為輸出負(fù)載。當(dāng)w>>wESR且Ai=Rc時(shí)，則(3)式值為1。這說(shuō)明了在此情況下電流環(huán)?電壓環(huán)有相同的截止頻率，而Av的設(shè)計(jì)對(duì)電流環(huán)?電壓環(huán)的比值沒有影響，其零極點(diǎn)的設(shè)計(jì)則依據(jù)電流環(huán)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。
其中，
L為等效輸出電感，fs為開關(guān)頻率，wz用于補(bǔ)償功率雙極點(diǎn)，wp用于消除開關(guān)噪聲，wi保證電流環(huán)的截止頻率高于輸出電容引入的ESR零點(diǎn)頻率?；谝陨显瓌t，設(shè)計(jì)固定輸出阻抗值為輸出電容的ESR值。實(shí)現(xiàn)方法[2]分別為檢測(cè)開關(guān)管導(dǎo)通電阻?續(xù)流管導(dǎo)通電阻或串聯(lián)阻值小的檢測(cè)電阻。前兩種方法受溫度的影響不宜采用，而串聯(lián)阻值小的檢測(cè)電阻有助于改善溫度變化引起的精度變化，但是在主電路中串聯(lián)電阻必然引起電源模塊效率的下降。
2 AVP控制無(wú)源法的實(shí)現(xiàn)[2]
采用無(wú)源法增加檢測(cè)電阻，如圖4所示。通過(guò)檢測(cè)Va使之等于VREF，實(shí)現(xiàn)vo=Vref-io×Rs，使電源在滿載時(shí)電壓比所要求的最低電壓高，在空載或輕載時(shí)輸出電壓比所要求的最高電壓低。從而使得輸出電壓在負(fù)載動(dòng)態(tài)跳變時(shí)能夠較快地達(dá)到穩(wěn)定，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)" title="動(dòng)態(tài)響應(yīng)">動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以改善電壓大電流所引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與電路成本的矛盾關(guān)系。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本文通過(guò)檢測(cè)輸出電感電阻的阻值，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，有效地?shí)現(xiàn)AVP控制(如圖5所示)，避免了在電感與輸出端增加電阻所引起的效率下降問(wèn)題。圖5(b)和圖6為采用AVP控制方法和不采用AVP控制方法兩種情況下的實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)波形。輸出電流由空載到半載(0→7.5A)時(shí)測(cè)得輸出電壓峰-峰值為97mV，而不采用AVP控制方法時(shí)輸出電壓峰-峰值為318mV。而且圖5(b)的動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間明顯比圖6的恢復(fù)時(shí)間短?？梢?，采取AVP控制有著良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而可減小輸出電容及降低成本。
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隨著VRM的深入發(fā)展，為滿足低電壓?大電流的需要，相繼提出了各種電路拓?fù)洌鐜С轭^電感的BUCK電路?有源鉗位的BUCK電路?耦合繞組的BUCK電路?移相軟開關(guān)BUCK電路等;并有優(yōu)良的控制方法問(wèn)世，如V2控制?滯回控制等。以上的這些方法都甚是難以滿足電源模塊的發(fā)展需要。AVP的控制方法在適當(dāng)降低負(fù)載調(diào)整率的情況下有效地改善了模塊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在低電壓?大電流的應(yīng)用場(chǎng)合中被人們重新認(rèn)識(shí)。本文對(duì)其從理論方法進(jìn)行分析，并采用新的檢測(cè)方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了AVP良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。
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參考文獻(xiàn)
1 Kaiwei Yao.Optimum Design of the Active Droop Control?Method for the Transient Response.APEC,2002
2 Ron Lenk. Understanding Droop and Programmable Active?Droop.Application. Bulletin,
3 R.B. Ridley, B.H. Cho and F.C. Lee. Analysis and Interpretation of Loop Gains of Multiloop-controlled Switching?Regulators. IEEE Trans.Power Electron, 1988;(3)10:489~498
4 龔紹文，蔡宣三.高頻功率電子學(xué)(DC-DC部分). 北京:科學(xué)出版社，1993