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适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制

适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制
来源:互联网 时间:2015-06-03

电源完整性(PI)和电源分配网络(PDN)设计如今是所有高速、高性能和低噪声电子电路设计的中心要素。取得性能的条规则是保持电源分配路径的 阻抗幅度小于某个特定值,这个值通常被称为目标阻抗。第二条规则是保持电源分配阻抗在频域尽可能平坦。半导体公司正在试图引入采用非线性控制、多个环路和 滞后工作的新稳压器架构来达到这个目的。一个令人感兴趣的拓扑是Cognipower公司自主开发并已获得专利的预测性能量平衡(PEB)控制器。


什么是PEB?

PEB控制算法从供需角度控制电压转换器的性能。就像在大多数开关转换器中一样,能量存储在电感中,然后传送到输出端,并由输出端的电容进行平均。存储在电感中的能量为:




PEB控制器根据需求建立要求的供电,并在每个开关周期中使这些等式相等。结果是一种“内存较少”的控制,每个周期都是“从零开始”,因此在单个开关周期 内可形成完整的动态响应恢复。输出既没有上冲,也没有下冲。控制器本身就很稳定,因为在控制功能中不需要增加补偿极点。PEB控制计算框图示于图1.



图1 PEB控制算法框图


PEB控制可适应多种开关拓扑,包括降压拓扑和反激拓扑,并且可工作在非连续模式和连续模式。

为什么PEB符合PDN应用要求

在PEB控制下的转换器输出阻抗函数基本上是一个与频率无关的电阻,这与PDN应用的目标是一致的。这个固定电阻是电感与电容之比的函数。单周期响应可获 得快可能的恢复时间,这也非常符合PDN应用要求。图2和图3显示了平坦的阻抗曲线,采用的是低功耗、非连续模式的PEB演示板(这个测量结果由 Cognipower公司提供,不是为任何特定应用设计的)。



图2:上轨迹(粉红)是输出电压响应,中间轨迹(黄色)是负载电流,下轨迹(绿色)是电感电流。注意,高频没有被滤除,为的是提供不变的控制器响应。

图3:针对300mΩ输出阻抗调节后的演示板负载阶跃响应。注意,没有上冲或下冲。为了去除纹波得到纯净的波形,对输出电压进行了平均处理。

通过修改演示板的电感和电容值,设定好300mΩ的目标阻抗,然后将演示板放进探测夹具。


根据18mV电压偏移和58mA电流阶跃计算出来的被测转换器阻抗约为320mΩ。通过平均这个测量结果去除输出纹波电压后就可以得到纯净的波形。注意,电压响应中一点都没有上冲或下冲现象,见图3.

 

虽然这个例子提供了代表低功耗应用的300mΩ输出阻抗,但PEB控制可以针对任何功耗电平进行调整。运算要求也很低,可以采用数字或模拟电路实现。想必控制器能够集成进单片芯片中。


PEB控制器是独立于硬件的,允许控制硅MOSFET功率级电路,或用于更高频率工作和具有效率的氮化镓功率级电路。PEB控制器还可以用作支持动态 电压编程的放大器,同样不会有上冲或下冲。当为PDN应用考虑许多新的开关拓扑时,PEB控制可以提供诸多有用的好处。希望未来能够进一步拓展这个拓扑。

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