適合電源分配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的預(yù)測(cè)性能量平衡控制

電源完整性(PI)和電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)設(shè)計(jì)如今是所有高速、高性能和低噪聲電子電路設(shè)計(jì)的中心要素。取得最優(yōu)性能的第一條規(guī)則是保持電源分配路徑的阻抗幅度小于某個(gè)特定值，這個(gè)值通常被稱為目標(biāo)阻抗。第二條規(guī)則是保持電源分配阻抗在頻域盡可能平坦。半導(dǎo)體公司正在試圖引入采用非線性控制、多個(gè)環(huán)路和滯后工作的新穩(wěn)壓器架構(gòu)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。一個(gè)令人感興趣的拓?fù)涫荂ognipower公司自主開發(fā)并已獲得專利的預(yù)測(cè)性能量平衡(PEB)控制器。

什么是PEB?

PEB控制算法從供需角度控制電壓轉(zhuǎn)換器的性能。就像在大多數(shù)開關(guān)轉(zhuǎn)換器中一樣，能量存儲(chǔ)在電感中，然后傳送到輸出端，并由輸出端的電容進(jìn)行平均。存儲(chǔ)在電感中的能量為：

存儲(chǔ)在電容中的能量為：

PEB控制器根據(jù)需求建立要求的供電，并在每個(gè)開關(guān)周期中使這些等式相等。結(jié)果是一種“內(nèi)存較少”的控制，每個(gè)周期都是“從零開始”，因此在單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可形成完整的動(dòng)態(tài)響應(yīng)恢復(fù)。輸出既沒有上沖，也沒有下沖。控制器本身就很穩(wěn)定，因?yàn)樵诳刂乒δ苤胁恍枰黾友a(bǔ)償極點(diǎn)。PEB控制計(jì)算框圖示于圖1。

圖1 PEB控制算法框圖

PEB控制可適應(yīng)多種開關(guān)拓?fù)?，包括降壓拓?fù)浜头醇ね負(fù)?，并且可工作在非連續(xù)模式和連續(xù)模式。

為什么PEB符合PDN應(yīng)用要求

在PEB控制下的轉(zhuǎn)換器輸出阻抗函數(shù)基本上是一個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的電阻，這與PDN應(yīng)用的目標(biāo)是一致的。這個(gè)固定電阻是電感與電容之比的函數(shù)。單周期響應(yīng)可獲得最快可能的恢復(fù)時(shí)間，這也非常符合PDN應(yīng)用要求。圖2和圖3顯示了平坦的阻抗曲線，采用的是低功耗、非連續(xù)模式的PEB演示板(這個(gè)測(cè)量結(jié)果由Cognipower公司提供，不是為任何特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的)。

圖2：上軌跡(粉紅)是輸出電壓響應(yīng)，中間軌跡(黃色)是負(fù)載電流，下軌跡(綠色)是電感電流。注意，高頻沒有被濾除，為的是提供不變的控制器響應(yīng)。

圖3：針對(duì)300mΩ輸出阻抗調(diào)節(jié)后的演示板負(fù)載階躍響應(yīng)。注意，沒有上沖或下沖。為了去除紋波得到純凈的波形，對(duì)輸出電壓進(jìn)行了平均處理。

通過修改演示板的電感和電容值，設(shè)定好300mΩ的目標(biāo)阻抗，然后將演示板放進(jìn)探測(cè)夾具。

根據(jù)18mV電壓偏移和58mA電流階躍計(jì)算出來(lái)的被測(cè)轉(zhuǎn)換器阻抗約為320mΩ。通過平均這個(gè)測(cè)量結(jié)果去除輸出紋波電壓后就可以得到純凈的波形。注意，電壓響應(yīng)中一點(diǎn)都沒有上沖或下沖現(xiàn)象，見圖3。

雖然這個(gè)例子提供了代表低功耗應(yīng)用的300mΩ輸出阻抗，但PEB控制可以針對(duì)任何功耗電平進(jìn)行調(diào)整。運(yùn)算要求也很低，可以采用數(shù)字或模擬電路實(shí)現(xiàn)。想必控制器能夠集成進(jìn)單片芯片中。

PEB控制器是獨(dú)立于硬件的，允許控制硅MOSFET功率級(jí)電路，或用于更高頻率工作和具有最佳效率的氮化鎵功率級(jí)電路。PEB控制器還可以用作支持動(dòng)態(tài)電壓編程的放大器，同樣不會(huì)有上沖或下沖。當(dāng)為PDN應(yīng)用考慮許多新的開關(guān)拓?fù)鋾r(shí)，PEB控制可以提供諸多有用的好處。希望未來(lái)能夠進(jìn)一步拓展這個(gè)拓?fù)洹?/p>