中心論題：
- 現(xiàn)代MPU和DSP中使用的節(jié)能技術(shù)的缺點(diǎn)。
- 提高DC/DC變換器和穩(wěn)壓器的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。
- 動態(tài)負(fù)載瞬變響應(yīng)電路(DRC)介紹。
解決方案：
- 帶輔助快速線性穩(wěn)壓器的DC/ DC變換器等。
- DRC可以與任何DC/DC變換器配合使用。
- 電容器中存儲的能量將直接提供給負(fù)載解決輸出電壓因電流快速階躍而突然下降。
現(xiàn)代MPU和DSP中使用的節(jié)能技術(shù)會使負(fù)載電流在工作時(shí)有大幅度的變動,負(fù)載電流階躍的轉(zhuǎn)換速率和振幅可能非常高。例如,Intel Pentium4電流階躍的轉(zhuǎn)換速率可能高達(dá)350A/ms。但是,電源線路中允許的最大電壓降落或過沖不得超100~120mV!因此,電源設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常面臨的一個(gè)難題是如何在當(dāng)負(fù)載電流高速瞬變時(shí)能提供快速的動態(tài)響應(yīng)。
圖1
圖2
標(biāo)準(zhǔn)解決方案
為提高DC/DC變換器和穩(wěn)壓器的負(fù)載動態(tài)響應(yīng),許多設(shè)計(jì)工程師選擇使用大容量輸出電容器。大容量電容器通常必須具有非常低的ESR(等效串聯(lián)電阻)值。這代表著必須以并聯(lián)方式連接眾多電容器。此解決方案的成本較高,并且需要占用大量的板空間。
提高DC/DC變換器動態(tài)響應(yīng)的另一種方法是降低變換器的輸出濾波電感。此解決方案的缺點(diǎn)是效率較低,因?yàn)樗枰^高的開關(guān)頻率。
一些設(shè)計(jì)工程師使用帶輔助快速線性穩(wěn)壓器的DC/ DC變換器。此解決方案必須使用較高的供電電壓對線性穩(wěn)壓器供電,因此轉(zhuǎn)換效率較低。
另外的方法是并連一個(gè)或多個(gè)DC/DC變換器來改善動態(tài)響應(yīng)。此解決方案必須同步于不同的變換器(包括開關(guān)頻率和相位),因此電路比較復(fù)雜。
全新的解決方案
本文建議的動態(tài)負(fù)載瞬變響應(yīng)電路(DRC)可以與任何DC/DC變換器配合使用。此解決方案可以減少對大容量電容器的要求,或無需使用此類電容器。與其它解決方案相比,成本更低,并且占用的板面積更小。它不會對效率有較大的影響。這一新穎的設(shè)計(jì)基于能對輸出電壓變化作出快速反應(yīng)的大功率誤差放大器,以及用于能量存儲的“懸浮”電容器。圖1所示為DRC
圖1
圖2
標(biāo)準(zhǔn)解決方案
為提高DC/DC變換器和穩(wěn)壓器的負(fù)載動態(tài)響應(yīng),許多設(shè)計(jì)工程師選擇使用大容量輸出電容器。大容量電容器通常必須具有非常低的ESR(等效串聯(lián)電阻)值。這代表著必須以并聯(lián)方式連接眾多電容器。此解決方案的成本較高,并且需要占用大量的板空間。
提高DC/DC變換器動態(tài)響應(yīng)的另一種方法是降低變換器的輸出濾波電感。此解決方案的缺點(diǎn)是效率較低,因?yàn)樗枰^高的開關(guān)頻率。
一些設(shè)計(jì)工程師使用帶輔助快速線性穩(wěn)壓器的DC/ DC變換器。此解決方案必須使用較高的供電電壓對線性穩(wěn)壓器供電,因此轉(zhuǎn)換效率較低。
另外的方法是并連一個(gè)或多個(gè)DC/DC變換器來改善動態(tài)響應(yīng)。此解決方案必須同步于不同的變換器(包括開關(guān)頻率和相位),因此電路比較復(fù)雜。
全新的解決方案
本文建議的動態(tài)負(fù)載瞬變響應(yīng)電路(DRC)可以與任何DC/DC變換器配合使用。此解決方案可以減少對大容量電容器的要求,或無需使用此類電容器。與其它解決方案相比,成本更低,并且占用的板面積更小。它不會對效率有較大的影響。這一新穎的設(shè)計(jì)基于能對輸出電壓變化作出快速反應(yīng)的大功率誤差放大器,以及用于能量存儲的“懸浮”電容器。圖1所示為DRC
的方框圖。
當(dāng)輸出電壓因電流快速階躍而突然下降時(shí),電容器中存儲的能量將直接提供給負(fù)載。儲能電容器相對較小,但所充的電壓高于標(biāo)稱輸出值。對儲能電容器的ESR參數(shù)沒有像在使用大容量輸出電容器情況下那樣要求嚴(yán)格。
(1)式可用于估計(jì)對儲能電容器進(jìn)行充電所需的電壓。假定電容值大到足以存儲所需的能量。
Ua = Un + DI • (ESR + Ron) (1)
其中： Ua表示輔助(充電)電壓;Un表示標(biāo)稱輸出電壓;DI表示最大的負(fù)載電流階躍;Ron表示放大器輸出階段(輸出FET)的導(dǎo)通電阻;ESR表示儲能電容器的等效串聯(lián)電阻。
如果負(fù)載電流迅速下降,通常會導(dǎo)致輸出電壓過沖,抑制器電路只需耗散此附加能量,便可大幅降低過沖值及其持續(xù)時(shí)間。
(2)式可用于估計(jì)負(fù)載電流突然下降時(shí)供電電壓的過沖值。假定DC/DC變換器相對較慢,并且由瞬變抑制電路吸收整個(gè)負(fù)載電流降落。
DU = DI •Ron (2)
其中： DU表示過沖電壓;DI表示電流降落;Ron表示放大器輸出階段(輸出FET)的導(dǎo)通電阻。
DRC電路的損耗可以按照下面的公式計(jì)算。該瞬變響應(yīng)電路將只處理負(fù)載電流中的變化。因此,只有電流變化值DI重要,而實(shí)際輸出電流并不重要,見圖2。圖中的陰影部分代表DRC需要吸收的電流,以及在DC/DC變換器對負(fù)載電流變化完全作出反應(yīng)之前的源電流。
假定DRC電路遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于變換器,則DRC的工作時(shí)間取決于DC/DC變換器的電流改變速率Sr,并可分為不同的電流上升速率(Sru)及下降速率(Srd)。現(xiàn)在,我們研究一個(gè)負(fù)載電流脈沖期間
當(dāng)輸出電壓因電流快速階躍而突然下降時(shí),電容器中存儲的能量將直接提供給負(fù)載。儲能電容器相對較小,但所充的電壓高于標(biāo)稱輸出值。對儲能電容器的ESR參數(shù)沒有像在使用大容量輸出電容器情況下那樣要求嚴(yán)格。
(1)式可用于估計(jì)對儲能電容器進(jìn)行充電所需的電壓。假定電容值大到足以存儲所需的能量。
Ua = Un + DI • (ESR + Ron) (1)
其中： Ua表示輔助(充電)電壓;Un表示標(biāo)稱輸出電壓;DI表示最大的負(fù)載電流階躍;Ron表示放大器輸出階段(輸出FET)的導(dǎo)通電阻;ESR表示儲能電容器的等效串聯(lián)電阻。
如果負(fù)載電流迅速下降,通常會導(dǎo)致輸出電壓過沖,抑制器電路只需耗散此附加能量,便可大幅降低過沖值及其持續(xù)時(shí)間。
(2)式可用于估計(jì)負(fù)載電流突然下降時(shí)供電電壓的過沖值。假定DC/DC變換器相對較慢,并且由瞬變抑制電路吸收整個(gè)負(fù)載電流降落。
DU = DI •Ron (2)
其中： DU表示過沖電壓;DI表示電流降落;Ron表示放大器輸出階段(輸出FET)的導(dǎo)通電阻。
DRC電路的損耗可以按照下面的公式計(jì)算。該瞬變響應(yīng)電路將只處理負(fù)載電流中的變化。因此,只有電流變化值DI重要,而實(shí)際輸出電流并不重要,見圖2。圖中的陰影部分代表DRC需要吸收的電流,以及在DC/DC變換器對負(fù)載電流變化完全作出反應(yīng)之前的源電流。
假定DRC電路遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于變換器,則DRC的工作時(shí)間取決于DC/DC變換器的電流改變速率Sr,并可分為不同的電流上升速率(Sru)及下降速率(Srd)。現(xiàn)在,我們研究一個(gè)負(fù)載電流脈沖期間
的能量損耗。
首先,按照(3)和(4)計(jì)算正負(fù)載電流階躍期間的能量損耗。
Ep=((Ua-Un)•ΔI/2)•tup (3)
tup=ΔI/Sru
Ep=((Ua-Un)•ΔI2/2)/Sru (4)
首先,按照(3)和(4)計(jì)算正負(fù)載電流階躍期間的能量損耗。
Ep=((Ua-Un)•ΔI/2)•tup (3)
tup=ΔI/Sru
Ep=((Ua-Un)•ΔI2/2)/Sru (4)
其中： Ep表示負(fù)載電流增加期間DRC中損耗的能量;Un表示變換器的標(biāo)稱輸出電壓;Ua表示儲能電容器的電壓;DI表示電流上升階躍;Sru表示變換器的電流上升變化速率。
要計(jì)算負(fù)載電流下降期間DRC的能量損耗,可以使用(5)式和(6)式：
En=(Un•ΔI/2)•td (5)
由于td=ΔI/Srd
En=(Un•ΔI2/2)/Srd (6)
其中： En表示負(fù)載電流下降期間DRC中損耗的能量;Un表示變換器的標(biāo)稱輸出電壓;DI表示電流降落;Srd表示變換器的電流下降變化速率。
對于整個(gè)電流瞬變周期(負(fù)載電流上升和下降階躍)中的能量損耗E,可以用(7)式計(jì)算：
E = ((Ua-Un)(ΔI2/2)/Sru + (Un(ΔI2/2)/Srd (7)
其中： Un表示標(biāo)稱輸出電壓;DI表示電流下降階躍;Srd表示變換器的電流下降變化速率;Sru表示變換器的電流上升變化速率;Ua表示輔助(充電)電壓。
DRC中的平均功率損耗Pl取決于負(fù)載瞬變的平均頻率f,并可以按照(8)式進(jìn)行計(jì)算。
Pl=f•(ΔI2/2)•((Ua-Un)/Sru+Un/Srd) (8)
如果DC/DC變換器的電流上升變化速率與下降變化速率相同,則可以按照(9)式估算平均能量損耗。
Pl=f•(ΔI2/2)•Ua/Sr (9)
Sru=Srd=Sr
測試結(jié)果
上文介紹的DRC電路已徑使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC模塊進(jìn)行了測試。詳見本刊網(wǎng)站。
結(jié)語
DRC電路可以大幅降低DC/DC變換器負(fù)載瞬變失真的幅度和持續(xù)時(shí)間。測試結(jié)果顯示DRC可以取代昂貴的低ESR大容量輸出電容器。
DRC電路參數(shù)必須與DC/DC變換器的特性以及負(fù)載電流瞬變的最大幅度相匹配。應(yīng)小心選擇輔助充電電壓和儲能電容器,以便與DC/DC輸出電流轉(zhuǎn)換速率和負(fù)載電流階躍的振幅相匹配。
要計(jì)算負(fù)載電流下降期間DRC的能量損耗,可以使用(5)式和(6)式：
En=(Un•ΔI/2)•td (5)
由于td=ΔI/Srd
En=(Un•ΔI2/2)/Srd (6)
其中： En表示負(fù)載電流下降期間DRC中損耗的能量;Un表示變換器的標(biāo)稱輸出電壓;DI表示電流降落;Srd表示變換器的電流下降變化速率。
對于整個(gè)電流瞬變周期(負(fù)載電流上升和下降階躍)中的能量損耗E,可以用(7)式計(jì)算：
E = ((Ua-Un)(ΔI2/2)/Sru + (Un(ΔI2/2)/Srd (7)
其中： Un表示標(biāo)稱輸出電壓;DI表示電流下降階躍;Srd表示變換器的電流下降變化速率;Sru表示變換器的電流上升變化速率;Ua表示輔助(充電)電壓。
DRC中的平均功率損耗Pl取決于負(fù)載瞬變的平均頻率f,并可以按照(8)式進(jìn)行計(jì)算。
Pl=f•(ΔI2/2)•((Ua-Un)/Sru+Un/Srd) (8)
如果DC/DC變換器的電流上升變化速率與下降變化速率相同,則可以按照(9)式估算平均能量損耗。
Pl=f•(ΔI2/2)•Ua/Sr (9)
Sru=Srd=Sr
測試結(jié)果
上文介紹的DRC電路已徑使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC模塊進(jìn)行了測試。詳見本刊網(wǎng)站。
結(jié)語
DRC電路可以大幅降低DC/DC變換器負(fù)載瞬變失真的幅度和持續(xù)時(shí)間。測試結(jié)果顯示DRC可以取代昂貴的低ESR大容量輸出電容器。
DRC電路參數(shù)必須與DC/DC變換器的特性以及負(fù)載電流瞬變的最大幅度相匹配。應(yīng)小心選擇輔助充電電壓和儲能電容器,以便與DC/DC輸出電流轉(zhuǎn)換速率和負(fù)載電流階躍的振幅相匹配。
