CN105634277A - 一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法，属于电源控制方法，本发明要解决的技术问题为如何解决负载点电源在瞬态响应下容许电压偏移量低、需要电容数量较多的问题。技术方案为：该方法是通过在电压误差放大器中采用纯阻性补偿网络为POL电源变换器输出电压引入一个稳态误差，即通过在POL电源变换器的电压控制环中引入直流增益，使得输出电压稳态值随着负载电流的不同而以负阻抗特性变化。

Description

一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法

技术领域

本发明涉及一种电源控制方法，具体地说是一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法。

背景技术

随着芯片集成度和开关速度的不断提高，芯片的性能越来越强大，功耗随之增加，对高频瞬态电流的需求也越来越大。为其供电的负载点(PointofLoad，POL)电源必须要有更高的功率密度和更快的瞬态响应速度，才能满足要求。

当POL电源负载电流瞬间上升时，绝大多数的电流会由输出电容提供，此时会由于输出电容的等效串联电阻(ESR)而产生一个压降，如图1所示。传统控制方法中，输出电压在瞬态响应后会回到原来的设定值，若此系统的供电电压容限为Vo±TOL_max，则允许的最大瞬态响应偏移量为±TOL_max，需要输出电容的总ESR应低于TOL_max/△Io_max才能满足要求。一般需要较多的输出电容并联才能满足此低ESR要求。当负载条件由负载瞬间回到轻载时亦然。

为了提高负载点电源的瞬态响应性能，一直都在尝试不同的方法，以下是普遍采用的几种方法：

1)增加输出电容。减少动态响应的过冲和跌落值最明显、最强有效的方法就是增加输出端电容值，因为容性偏移量与容值成反比，而且大电容往往有更小的ESR值，使得阻性偏移量也减少。但是，具有小ESR值的大电容通常价格高、体积大，需要很大的板上空间。此外，即使使用很大的输出电容，电压调节环的响应速度也必须足够快，以使变换器在理论的最小恢复时间内、在整个最大占空比范围内变化。

2)提高开关频率，降低输出滤波电感。这种方法的代价是低效率，增加了热设计和封装难度。

3)增加辅助电路，提高动态响应性能。例如增加一个由快速的误差放大器和储能电容组成的动态响应电路(DRC)，使其在负载切换时工作，从而减少输出大电容。在BUCK变换器拓扑中增加一个辅助电感L_A、辅助开关S_A、二极管D2和瞬态控制电路，L为输出扼流圈。当负载电流升高时，输出电压降低至小于参考电压V_LO，S_A开通，变换器输出电感减少，使得电感电流迅速增加；当负载电流下降时，S_A断开，电感中的电流通过N2反馈至输入端。但是，这些方法增加了额外电路，引起功率损耗，增加了变换器体积，实用性较差。

自适应电压定位(AdaptiveVoltagePositioning，AVP)控制就是提高负载点电源瞬态响应性能的一种控制方式。其工作原理是：在供电电压波动允许范围内，当负载电流较大时，使输出电压略微下降，当输出电流较小时，使输出电压略微上升，以此增大输出电压的瞬态偏移量容限，改善POL电源的瞬态响应性能。自适应电压定位控制目前主要有两种实现方法：在输出端串联固定电阻的无源法和改变参考电压的有源法。但是都未达到提高负载点电源的瞬态响应性能的需求。

如何解决负载点电源在瞬态响应下容许电压偏移量低、需要电容数量较多的问题是现有技术中存在的技术问题。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种结构简单、生产成本低、易于加工、对环境无污染的提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法，该方法是通过在电压误差放大器中采用纯阻性补偿网络为POL电源变换器输出电压引入一个稳态误差，即通过在POL电源变换器的电压控制环中引入直流增益，使得输出电压稳态值随着负载电流的不同而以负阻抗特性变化，从而增大POL电源变换器输出电压的瞬态偏移量容限，减小输出电容需求数量。通过上述方法实现自适应电压定位的控制方式。

作为优选，该方法用于平均电流模式。

更优地，所述电压误差放大器的补偿网络是一个由Rf和Rin组成的纯阻性补偿网络，电压误差放大器是一个比例型电压误差放大器，直流增益大小为Rf/Rin；POL电源变换器的输出电压Vo和输出电流Io呈现负阻抗特性，且此特性阻值R_DROOP为：

$R_{DROOP}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{out}}{{\mathrm{\ΔI}}_{out}}=\frac{R_{in}}{G_C{R}_f}\·\frac{R_H+R_L}{R_L}$

式中，△Iout为负载最大电流Io_max和最小电流Io_min之差，△Vout为输出电压的幅度，Gc为电流内环的直流增益，只要合理调整Rf和Rin的阻值，就可以实现所需的负阻抗特性。

本发明的一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法和现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的纯阻性网络能够实现自适应电压定位，使得输出电压在轻载时上升、重载时下降，而调节范围仍在允许的偏差范围内；

2、本发明在大信号变化时，由于纯阻性补偿网络中没有电容需要充、放电，系统可以实现较好的动态响应；

3、本发明补偿网络设计简单、动态响应速度快，可以有效节省板上空间、节省物料、降低成本；

4、本发明可以增大瞬态响应电压偏移容限、减少输出电容数量，还能降低了负载较高条件下的输出电压值，可明显降低供电对象的功耗；

5、本发明容易满足微处理器的电源要求：intel在VRD10.0中将处理器工作电压要求由固定电压加正负容忍误差的方式改为了递降电压方式，自适应电压定位的电压输出特性正好与其一致。

由此可见，本发明具有设计合理、结构简单、易于加工、体积小、使用方便、一物多用等特点，因而，具有很好的推广使用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1为背景技术中传统控制模式的瞬时动态响应波形图；

附图2为实施例1中自适应电压控制的电压定位窗的波形图；

附图3为实施例1中自适应电压控制的瞬时动态响应波形图；

附图4为实施例1中基于平均电流模式实现自适应电压控制的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法，该方法的自适应电压定位的实现方法是通过在电压误差放大器中采用纯阻性补偿网络为POL电源变换器输出电压引入一个稳态误差，即通过在POL电源变换器的电压控制环中引入直流增益，使得输出电压稳态值随着负载电流的不同而以负阻抗特性变化，从而增大POL电源变换器输出电压的瞬态偏移量容限，减小输出电容需求数量。

自适应电压定位(AdaptiveVoltagePositioning)，或称为递减电压(DROOP)，指的是将电源的输出电压随着负载电流的不同而变化，如附图2所示，即在轻载时，输出电压稳态值为Vo+TOL_max；满载时，输出电压稳态值为Vo-TOL_max，负载线是一条具有固定斜率的斜线，负载电流与输出电压形成一个电压定位窗，如附图3所示。这样，相当于此电源允许的瞬态响应电压偏移量变为±2*TOL_max，增大一倍，对应的ESR也增大一倍，所需输出电容减半。

如附图4所示，该方法用于平均电流模式。电压误差放大器的补偿网络是一个由Rf和Rin组成的纯阻性补偿网络(传统控制方式中为保持输出电压固定不变，常用RC网络)，电压误差放大器是一个比例型电压误差放大器，直流增益大小为Rf/Rin；POL电源变换器的输出电压Vo和输出电流Io呈现负阻抗特性，且此特性阻值R_DROOP为：

$R_{DROOP}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{out}}{{\mathrm{\ΔI}}_{out}}=\frac{R_{in}}{G_C{R}_f}\·\frac{R_H+R_L}{R_L}$

式中，△Iout为负载最大电流Io_max和最小电流Io_min之差，△Vout为输出电压的幅度，Gc为电流内环的直流增益，只要合理调整Rf和Rin的阻值，就可以实现所需的负阻抗特性。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法的权利要求书的且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的一种具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (3)

1.一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法，其特征在于：该方法是通过在电压误差放大器中采用纯阻性补偿网络为POL电源变换器输出电压引入一个稳态误差，即通过在POL电源变换器的电压控制环中引入直流增益，使得输出电压稳态值随着负载电流的不同而以负阻抗特性变化。

2.根据权利要求1所述的一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法，其特征在于：该方法用于平均电流模式。

3.根据权利要求2所述的一种提高负载点电源瞬态响应性能的电源控制方法，其特征在于：所述电压误差放大器的补偿网络是一个由Rf和Rin组成的纯阻性补偿网络，电压误差放大器是一个比例型电压误差放大器，直流增益大小为Rf/Rin；POL电源变换器的输出电压Vo和输出电流Io呈现负阻抗特性，且此特性阻值R_DROOP为：

$R_{DROOP}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{out}}{{\mathrm{\ΔI}}_{out}}=\frac{R_{in}}{G_C{R}_f}\·\frac{R_H+R_L}{R_L}$

式中，△Iout为负载最大电流Io_max和最小电流Io_min之差，△Vout为输出电压的幅度，Gc为电流内环的直流增益。