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作者：Sin Keng Lee，應(yīng)用工程師 Zhijun (George) Qian，高級經(jīng)理 ADI公司 摘要 本文介紹一種應(yīng)用于μModule穩(wěn)壓器的精準(zhǔn)串聯(lián)主動電壓定位(AVP)實(shí)現(xiàn)方法。借助該方法，可獲得快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，大幅節(jié)省電路板空間，實(shí)現(xiàn)全陶瓷電容式解決方案。與分流AVP設(shè)計(jì)相比，這種串聯(lián)AVP可提供非常準(zhǔn)確的負(fù)載線精度，從而大幅提高輸出電壓精度。文中提供了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的測量結(jié)果。 引言 主動電壓定位(AVP)或主動下垂技術(shù)能夠調(diào)節(jié)電源輸出：輕載時維持較高輸出電壓，重載時維持較低輸出電壓。實(shí)現(xiàn)AVP控制技術(shù)的一大好處是可以改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)并降低輸出電容，因?yàn)锳VP為電源響應(yīng)負(fù)載瞬變提供了更多空間。μModule穩(wěn)壓器是完整、經(jīng)過測試且合格的封裝電源解決方案。對于電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，μModule穩(wěn)壓器憑借快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、極小的電路板占用空間及全陶瓷電容式解決方案而備受青睞。然而，使用傳統(tǒng)非AVP控制技術(shù)很難滿足所有要求。 本文介紹了一種精準(zhǔn)串聯(lián)AVP實(shí)現(xiàn)方法，在反饋控制環(huán)路中添加兩個電阻。這種串聯(lián)AVP方法的優(yōu)勢在于，負(fù)載線精度幾乎與gm放大器增益變化無關(guān)；而對于分流AVP1等其他AVP實(shí)現(xiàn)方法，如果gm放大器增益的變化較大，負(fù)載線精度將降低。實(shí)現(xiàn)這種串聯(lián)AVP后，輸出電容可減少多達(dá)50%，同時峰峰輸出電壓瞬態(tài)也略有改善。由于電容減少50%，因此僅需要陶瓷電容，由此可以大幅提高系統(tǒng)可靠性并優(yōu)化成本，因?yàn)殇X電解電容的可靠性遠(yuǎn)低于陶瓷電容，而且成本更高。 實(shí)現(xiàn)AVP控制技術(shù)的另一個好處在于，當(dāng)負(fù)載電流較大時，可以降低輸出電壓，從而降低負(fù)載功耗。LTM4650-2示例顯示，凈功耗節(jié)省為1.4 W或5.6%，大大節(jié)省了功耗并延長了電池續(xù)航時間。 串聯(lián)AVP實(shí)現(xiàn) AVP是指穩(wěn)壓器的輸出電壓根據(jù)負(fù)載電流的變化而動態(tài)調(diào)整的一種方式，而如果采用傳統(tǒng)方法（非AVP），輸出電壓在所有負(fù)載下始終固定在標(biāo)稱值VOUT，如圖1所示。如果采用AVP方法，當(dāng)輸出電流增加時，輸出電壓逐漸降低。在輕載條件下，輸出電壓設(shè)為調(diào)節(jié)至略高于標(biāo)稱值，而在重載條件下，輸出電壓設(shè)為調(diào)節(jié)至略低于標(biāo)稱值。1 當(dāng)負(fù)載電流突然增加時，輸出電壓從高于標(biāo)稱值的電平開始，因此輸出電壓可以下降更多幅度并保持在額定電壓范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)載電流突然減小時，輸出電壓從低于標(biāo)稱值的電平開始，因此輸出電壓可以有更多的過沖并保持在額定電壓范圍內(nèi)。對于所有負(fù)載電流范圍，輸出電壓應(yīng)限制在額定電壓限值內(nèi)（VMAX和VMIN之間）。 
圖1.采用AVP的VOUT與采用傳統(tǒng)方法（非AVP）的固定標(biāo)稱值VOUT。 圖2顯示AVP串聯(lián)補(bǔ)償電路。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(VREF)和VOUT反饋分別連接到誤差放大器的正輸入和負(fù)輸入。與RHI連接的VHI（或INTVCC）向放大器輸出（ITH或COMP）提供適當(dāng)?shù)闹绷麟妷�，以防止輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。RLO（反饋電阻）位于輸出(ITH)和負(fù)輸入（或FB）之間。因此，RLO決定了gm放大器增益。RHI和RLO值應(yīng)遠(yuǎn)高于R1和R2。 負(fù)載線公式1：
Ki是電流檢測增益，RSENSE是電流檢測電阻值（或DCR檢測的電感DCR值）。 與AVP分流補(bǔ)償電路1相比，串聯(lián)補(bǔ)償電路的優(yōu)勢在于負(fù)載線取決于R1/RLO增益，幾乎與誤差放大器跨導(dǎo)(gm)的容差無關(guān)。IC工藝和設(shè)計(jì)多種多樣。遺憾的是，一些IC的gm值在器件間的差異高達(dá)±30%，而且分流補(bǔ)償電路AVP的負(fù)載線與1/gm增益成正比。因此，分流AVP的負(fù)載線較差。
圖2.AVP串聯(lián)補(bǔ)償電路。 LTM4650-2穩(wěn)壓器上的AVP解決方案 在LTM4650-2（電流模式同步降壓穩(wěn)壓器）上，標(biāo)稱1 V輸出能夠提供25 A負(fù)載，瞬態(tài)窗口約為±8%(160 mV pp)。在這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓器（非AVP）上，需要外部RC濾波電路來實(shí)現(xiàn)快速II型控制環(huán)路補(bǔ)償。輸出端有一組5個100 μF陶瓷電容和2個470 μF POSCAP。當(dāng)負(fù)載階躍為19 A（滿載的75%）且擺率為19 A/μs時，瞬態(tài)響應(yīng)為136 mV pp，如圖3所示。
圖3.非AVP電路的負(fù)載瞬態(tài)波形，輸出電壓瞬態(tài)為136 mV pp，COUT1 = 5× 100 μF陶瓷電容，COUT2 = 2× 470 μF POSCAP電容。 如圖4所示，實(shí)現(xiàn)AVP時，在COMP上應(yīng)用了AVP補(bǔ)償電路，但不需要RC補(bǔ)償。在半載(12.5 A)條件下，通過微調(diào)R2，特意將輸出電壓設(shè)為標(biāo)稱值(1 V)。對于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，獲得了95 mV pp的VOUT，如圖5所示。瞬態(tài)性能已得到改善。當(dāng)輸出電壓設(shè)為1 V且電流為25 A（滿載）時，負(fù)載功率為25 W。通過將輸出電壓降低至0.945 V（25 A負(fù)載時），負(fù)載功率現(xiàn)在為23.6 W，單個輸出的功耗節(jié)省現(xiàn)在為1.4 W。對于兩個輸出，凈功耗節(jié)省總計(jì)為2.8 W。
圖4.采用AVP的電路（串聯(lián)補(bǔ)償電路）。
圖5.采用AVP的電路（圖4）的負(fù)載瞬態(tài)波形，輸出電壓瞬態(tài)為95 mV pp。COUT1 = 5× 100 μF陶瓷電容，COUT2 = 2× 470 μF POSCAP電容。 采用AVP實(shí)現(xiàn)方案時，兩個POSCAP可替換為兩個陶瓷電容，因此COUT1上共使用7個100 μF陶瓷電容。使用陶瓷電容的優(yōu)勢是等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)更低、成本更低、尺寸更小、性能更可靠。瞬態(tài)性能已改善，測量結(jié)果是VOUT為104 mV pp，如圖6所示。
圖6.采用AVP的電路的負(fù)載瞬態(tài)波形，輸出電壓瞬態(tài)為104 mV pp。COUT1 = 7× 100 μF陶瓷電容。 表1顯示了上述測量的非AVP（基準(zhǔn)）、AVP和僅使用輸出陶瓷電容的AVP的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)V p-p，以供比較。 表1.非AVP、AVP和僅使用輸出陶瓷電容的AVP之間的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)V p-p比較
結(jié)論 在LTM4650-2 μModule穩(wěn)壓器上實(shí)現(xiàn)AVP串聯(lián)補(bǔ)償電路不僅提高了瞬態(tài)響應(yīng)性能，還降低了高負(fù)載條件下的負(fù)載功耗。輸出電容需要小于50%。因此，可以用陶瓷電容代替POSCAP，從而降低成本并最大限度減少占用的電路板空間。這種AVP電路也適用于許多其他具有外部補(bǔ)償引腳和外部RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的μModule穩(wěn)壓器（例如LTM4630-1、LTM4626、LTM4636、LTM8055-1等）。 參考文獻(xiàn) 1 Robert Sheehan，“主動電壓定位可減少輸出電容”，凌力爾特，1999年。 作者簡介 自2022年5月加入ADI公司以來，Sin Keng Lee一直擔(dān)任ADI公司的電源模塊設(shè)計(jì)工程師。他擁有英國諾森比亞大學(xué)天線、射頻和微波通信工程學(xué)士學(xué)位與博士學(xué)位。 Zhijun (George) Qian是ADI公司電源模塊高級設(shè)計(jì)經(jīng)理，負(fù)責(zé)所有LTM80xx產(chǎn)品和部分LTM46xx/LTM47xx產(chǎn)品。他擁有浙江大學(xué)電力電子學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，以及美國中佛羅里達(dá)大學(xué)電力電子博士學(xué)位。他于2010年初加入ADI公司。 |
