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電源/智慧型能源 Share print

適合電源分配網路應用的預測性能量平衡控制

2015年06月12日  | Steve Sandler

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電源完整性(power integrity,PI)和電源分配網路(power distribution network,PDN)設計是現今所有高速、高性能和低雜訊電子電路設計中的中心要素。要獲得最佳性能的第一條規則是保持電源分配路徑的阻抗幅度要比某個特定值小,這個值通常被稱為目標阻抗。第二條規則是保持電源分配阻抗在頻域盡可能平坦。半導體公司正在試圖引入採用非線性控制(non-linear control)、多條環路(multiple loop)和滯後操作(hysteretic operation)的新穩壓器架構來達到這個目的。由Cognipower公司自行開發並已獲得專利的預測性能量平衡(predictive energy balance,PEB)控制器是一個令人比較感興趣的拓撲。


什麼是PEB?

PEB控制演算法從供需角度控制電壓轉換器的性能。就像在大多數開關轉換器中一樣,能量存儲在電感中,然後傳送到輸出端,並由輸出端的電容進行平均。存儲在電感中的能量等於:

適合電源分配網路應用的預測性能量平衡控制

存儲在電容的能量等於:

適合電源分配網路應用的預測性能量平衡控制

PEB控制器根據需求(Demand)建立要求的供電(Supply),並在每個開關週期中使這些等式相等。結果是一種“記憶體較少的(memory-less)”控制,每個週期都是“從零開始”,因此在單個開關週期內可形成完整的動態回應恢復。輸出既沒有過衝(overshoot),也沒有下衝(undershoot)。控制器本身就很穩定,因為在控制功能中不需要增加補償極點(compensating pole)。PEB控制運算方塊圖如圖1所示。


圖1 :PEB運算控制方塊圖。注意,為了要提供能量比較,而不是電壓或電流比較,電壓項和電流項經過了平方處理。
圖1 :PEB運算控制方塊圖。注意,為了要提供能量比較,而不是電壓或電流比較,電壓項和電流項經過了平方處理。

PEB控制可適應許多種開關拓撲,包括降壓拓撲和回掃拓撲,並且可在非連續模式和連續模式下工作。


為什麼PEB是PDN的理想之選

在PEB控制下的轉換器輸出阻抗函數基本上是一個與頻率無關的電阻,這與PDN的應用目標是一致的。這個固定電阻是電感與電容之比的函數。單週期回應導致最快可能的恢復時間,這也是非常符合PDN應用的要求。圖2圖4顯示了平坦的阻抗曲線,採用的是低功耗、非連續模式的PEB展示板(這個測量結果由Cognipower公司提供,並不是為任何特定應用所設計的)。


圖2:上面軌跡(粉紅)是輸出電壓回應,中間軌跡(黃色)是負載電流,下面曲線(綠色)是電感電流。注意,為了要提供不變的控制器回應,高頻沒有被濾除。
圖2:上面軌跡(粉紅)是輸出電壓回應,中間軌跡(黃色)是負載電流,下面曲線(綠色)是電感電流。注意,為了要提供不變的控制器回應,高頻沒有被濾除。

通過修改展示板的電感和電容值設定好300mΩ的目標阻抗,然後將展示板放進探測夾具,如圖3所示。


圖3:展示板放進探針台(probe station)進行測量。用P2100A單位增益探針監視輸出電壓,並使用一個20ns J2111A電流注入器給負載施加脈衝信號。
圖3:展示板放進探針台(probe station)進行測量。用P2100A單位增益探針監視輸出電壓,並使用一個20ns J2111A電流注入器給負載施加脈衝信號。。

根據18mV電壓偏移和58mA電流階躍計算出來的被測轉換器阻抗約為320mΩ。通過平均這個測量結果去除輸出紋波電壓後就可以得到純淨的波形。注意,電壓回應中一點都沒有過衝或下衝現象了,參見圖4


圖4:針對300mΩ輸出阻抗調節後的展示板負載階躍回應。注意,已經沒有過衝或下衝。為了除去紋波得到純淨的波形,對輸出電壓進行了平均處理。
圖4:針對300mΩ輸出阻抗調節後的展示板負載階躍回應。注意,已經沒有過衝或下衝。為了除去紋波得到純淨的波形,對輸出電壓進行了平均處理。

雖然這個例子提供了代表低功耗應用的300mΩ輸出阻抗,但PEB控制可以針對任何功耗電平進行擴展。運算要求也是很低的,可以採用數位或類比電路實現。想必控制器能夠整合進單片晶片(monolithic chip)中。


PEB控制器是與硬體無關的,可以控制矽MOSFET功率級電路,或者更高頻率工作和具有最佳效率的氮化鎵功率級電路。PEB控制器還可以當作支援動態電壓程式設計的放大器,同樣不會有過衝或下衝。當為PDN應用考慮許多新的開關拓撲時,PEB控制可以提供諸多有用的好處。我希望未來能將這個拓撲進一步拓展。





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