DC-DC變換器AVP控制方法的分析

摘要：隨著電壓調(diào)整模塊（ＶＲＭ）輸入容量的越來越大和動態(tài)要求的越來越嚴(yán)格，適應(yīng)降壓（AVP）控制在VRM中的應(yīng)用被人們重新認識。本文對AVR控制策略的有源法和無源法進行了理論分析，并采用一種新式檢測方法實現(xiàn)AVP控制，并通過比較實驗證實了AVP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 無源法 CPU和DSP對數(shù)據(jù)處理速度和容量的要求不斷提高， 對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峰－峰值上。采取的措施有多通道buck電路拓撲和良好的控制方法，如V2控制法和滯回控制法等，這樣可以改善電源的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能、提高電源效率。但是對于更低的輸出電壓、更大的電流動態(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種問題，采用ＡＶＰ方法（如圖１所示）使電源在滿載時電壓比所要求的最低電壓高，在空載或輕載時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，而且動態(tài)過程電壓工作在窗口電壓內(nèi)，輸出電壓峰－峰值小、恢復(fù)時間短。但是文獻提出的方法較為復(fù)雜，使用專用的控制芯片導(dǎo)致開發(fā)成本增加，提出的方法在實際應(yīng)用中電路效率較低。本文對ＡＶＰ控制方法進行深入分析，歸納總結(jié)出各種ＡＶＰ的實現(xiàn)方法，并提出了一種新穎高效的控制方法，用實驗證明ＡＶＰ方法的優(yōu)越性。 １ ＡＶＰ控制有源法的分析 ＡＶＰ有源控制為雙環(huán)控制，其基本原理如圖２所示。通過檢測電感電流，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)電壓而實現(xiàn)ＡＶＰ控制。圖３為ＡＶＰ有源控制的方塊圖，假設(shè)電流環(huán)增益為Ｔｉ，電壓環(huán)增益為Ｔｖ，則： Ｔｉ＝Ａｖ%26;#215;ＦＭ%26;#215;Ｇｉｄ%26;#215;Ａｉ （１） Ｔｖ＝Ａｖ%26;#215;ＦＭ%26;#215;Ｇｖｄ （２） 由（２）／（１）可得： ｗＥＳＲ＝1/(Rc%26;#215;Co)，ｗＲ.０＝1/Ro%26;#215;C0) 此處Ｒｃ為輸出電容Ｃｏ的等效電阻值，Ｒｏ為輸出負載。當(dāng)ｗ＞＞ｗＥＳＲ且Ａｉ＝Ｒｃ時，則(3)式值為１。這說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)計對電流環(huán)、電壓環(huán)的比值沒有影響，其零極點的設(shè)計則依據(jù)電流環(huán)的設(shè)計方法進行。 其中， Ｌ為等效輸出電感，ｆｓ為開關(guān)頻率，ｗｚ用于補償功率雙極點，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零點頻率?；谝陨显瓌t，設(shè)計固定輸出阻抗值為輸出電容的ＥＳＲ值。實現(xiàn)方法?眼２?演分別為檢測開關(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控制無源法的實現(xiàn) 采用無源法增加檢測電阻，如圖４所示。 通過檢測Ｖａ使之等于ＶＲＥＦ，實現(xiàn)ｖｏ＝Ｖｒｅｆ－ｉｏ%26;#215;Ｒｓ，使電源在滿載時電壓比所要求的最低電壓高，在空載或輕載時輸出電壓比所要求的最高電壓低。從而使得輸出電壓在負載動態(tài)跳變時能夠較快地達到穩(wěn)定，提高動態(tài)響應(yīng)，以改善電壓大電流所引起的動態(tài)響應(yīng)與電路成本的矛盾關(guān)系。 ３ 實驗結(jié)果分析 本文通過檢測輸出電感電阻的阻值，對其進行適當(dāng)?shù)奶幚?，有效地實現(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測動態(tài)波形。輸出電流由空載到半載(０→７．５Ａ)時測得輸出電壓峰－峰值為９７ｍＶ，而不采用ＡＶＰ控制方法時輸出電壓峰－峰值為３１８ｍＶ。而且圖５(ｂ)的動態(tài)恢復(fù)時間明顯比圖６的恢復(fù)時間短?？梢姡扇。粒郑锌刂朴兄己玫膭討B(tài)響應(yīng)，進而可減小輸出電容及降低成本。 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撲，如帶抽頭電感的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)降低負載調(diào)整率的情況下有效地改善了模塊的動態(tài)響應(yīng)，在低電壓、大電流的應(yīng)用場合中被人們重新認識。本文對其從理論方法進行分析，并采用新的檢測方法通過實驗證明了ＡＶＰ良好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力。