中心論題：
- 現代MPU和DSP中使用的節能技術的缺點。
- 提高DC/DC變換器和穩壓器的負載動態響應的標準解決方案。
- 動態負載瞬變響應電路(DRC)介紹。
解決方案：
- 帶輔助快速線性穩壓器的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載解決輸出電壓因電流快速階躍而突然下降。
現代MPU和DSP中使用的節能技術會使負載電流在工作時有大幅度的變動,負載電流階躍的轉換速率和振幅可能非常高。例如,Intel Pentium4電流階躍的轉換速率可能高達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,電源設計工程師經常面臨的一個難題是如何在當負載電流高速瞬變時能提供快速的動態響應。
圖1
圖2
標準解決方案
為提高DC/DC變換器和穩壓器的負載動態響應,許多設計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(等效串聯電阻)值。這代表著必須以并聯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變換器動態響應的另一種方法是降低變換器的輸出濾波電感。此解決方案的缺點是效率較低,因為它需要較高的開關頻率。
一些設計工程師使用帶輔助快速線性穩壓器的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壓器供電,因此轉換效率較低。
另外的方法是并連一個或多個DC/DC變換器來改善動態響應。此解決方案必須同步于不同的變換器(包括開關頻率和相位),因此電路比較復雜。
全新的解決方案
本文建議的動態負載瞬變響應電路(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。這一新穎的設計基于能對輸出電壓變化作出快速反應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
標準解決方案
為提高DC/DC變換器和穩壓器的負載動態響應,許多設計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(等效串聯電阻)值。這代表著必須以并聯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變換器動態響應的另一種方法是降低變換器的輸出濾波電感。此解決方案的缺點是效率較低,因為它需要較高的開關頻率。
一些設計工程師使用帶輔助快速線性穩壓器的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壓器供電,因此轉換效率較低。
另外的方法是并連一個或多個DC/DC變換器來改善動態響應。此解決方案必須同步于不同的變換器(包括開關頻率和相位),因此電路比較復雜。
全新的解決方案
本文建議的動態負載瞬變響應電路(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。這一新穎的設計基于能對輸出電壓變化作出快速反應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。
當輸出電壓因電流快速階躍而突然下降時,電容器中存儲的能量將直接提供給負載。儲能電容器相對較小,但所充的電壓高于標稱輸出值。對儲能電容器的ESR參數沒有像在使用大容量輸出電容器情況下那樣要求嚴格。
(1)式可用于估計對儲能電容器進行充電所需的電壓。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表示標稱輸出電壓;DI表示最大的負載電流階躍;Ron表示放大器輸出階段(輸出FET)的導通電阻;ESR表示儲能電容器的等效串聯電阻。
如果負載電流迅速下降,通常會導致輸出電壓過沖,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時間。
(2)式可用于估計負載電流突然下降時供電電壓的過沖值。假定DC/DC變換器相對較慢,并且由瞬變抑制電路吸收整個負載電流降落。
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)的導通電阻。
DRC電路的損耗可以按照下面的公式計算。該瞬變響應電路將只處理負載電流中的變化。因此,只有電流變化值DI重要,而實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變換器對負載電流變化完全作出反應之前的源電流。
假定DRC電路遠遠快于變換器,則DRC的工作時間取決于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)。現在,我們研究一個負載電流脈沖期間
當輸出電壓因電流快速階躍而突然下降時,電容器中存儲的能量將直接提供給負載。儲能電容器相對較小,但所充的電壓高于標稱輸出值。對儲能電容器的ESR參數沒有像在使用大容量輸出電容器情況下那樣要求嚴格。
(1)式可用于估計對儲能電容器進行充電所需的電壓。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表示標稱輸出電壓;DI表示最大的負載電流階躍;Ron表示放大器輸出階段(輸出FET)的導通電阻;ESR表示儲能電容器的等效串聯電阻。
如果負載電流迅速下降,通常會導致輸出電壓過沖,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時間。
(2)式可用于估計負載電流突然下降時供電電壓的過沖值。假定DC/DC變換器相對較慢,并且由瞬變抑制電路吸收整個負載電流降落。
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)的導通電阻。
DRC電路的損耗可以按照下面的公式計算。該瞬變響應電路將只處理負載電流中的變化。因此,只有電流變化值DI重要,而實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變換器對負載電流變化完全作出反應之前的源電流。
假定DRC電路遠遠快于變換器,則DRC的工作時間取決于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)。現在,我們研究一個負載電流脈沖期間
的能量損耗。
首先,按照(3)和(4)計算正負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)計算正負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表示負載電流增加期間DRC中損耗的能量;Un表示變換器的標稱輸出電壓;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。
要計算負載電流下降期間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表示負載電流下降期間DRC中損耗的能量;Un表示變換器的標稱輸出電壓;DI表示電流降落;Srd表示變換器的電流下降變化速率。
對于整個電流瞬變周期(負載電流上升和下降階躍)中的能量損耗E,可以用(7)式計算：
E = ((Ua-Un)(ΔI2/2)/Sru + (Un(ΔI2/2)/Srd (7)
其中： Un表示標稱輸出電壓;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取決于負載瞬變的平均頻率f,并可以按照(8)式進行計算。
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
測試結果
上文介紹的DRC電路已徑使用多個標準的DC/DC模塊進行了測試。詳見本刊網站。
結語
DRC電路可以大幅降低DC/DC變換器負載瞬變失真的幅度和持續時間。測試結果顯示DRC可以取代昂貴的低ESR大容量輸出電容器。
DRC電路參數必須與DC/DC變換器的特性以及負載電流瞬變的最大幅度相匹配。應小心選擇輔助充電電壓和儲能電容器,以便與DC/DC輸出電流轉換速率和負載電流階躍的振幅相匹配。
要計算負載電流下降期間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表示負載電流下降期間DRC中損耗的能量;Un表示變換器的標稱輸出電壓;DI表示電流降落;Srd表示變換器的電流下降變化速率。
對于整個電流瞬變周期(負載電流上升和下降階躍)中的能量損耗E,可以用(7)式計算：
E = ((Ua-Un)(ΔI2/2)/Sru + (Un(ΔI2/2)/Srd (7)
其中： Un表示標稱輸出電壓;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取決于負載瞬變的平均頻率f,并可以按照(8)式進行計算。
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
測試結果
上文介紹的DRC電路已徑使用多個標準的DC/DC模塊進行了測試。詳見本刊網站。
結語
DRC電路可以大幅降低DC/DC變換器負載瞬變失真的幅度和持續時間。測試結果顯示DRC可以取代昂貴的低ESR大容量輸出電容器。
DRC電路參數必須與DC/DC變換器的特性以及負載電流瞬變的最大幅度相匹配。應小心選擇輔助充電電壓和儲能電容器,以便與DC/DC輸出電流轉換速率和負載電流階躍的振幅相匹配。
