【導讀】電源完整性(PI)和電源分配網(wǎng)絡(luò )(PDN)設計如今是所有高速、高性能和低噪聲電子電路設計的中心要素。取得最優(yōu)性能的第一條規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(chēng)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采用非線(xiàn)性控制、多個(gè)環(huán)路和滯后工作的新穩壓器架構來(lái)達到這個(gè)目的。一個(gè)令人感興趣的拓撲是Cognipower公司自主開(kāi)發(fā)并已獲得專(zhuān)利的預測性能量平衡(PEB)控制器。
什么是PEB？
PEB控制算法從供需角度控制電壓轉換器的性能。就像在大多數開(kāi)關(guān)轉換器中一樣，能量存儲在電感中，然后傳送到輸出端，并由輸出端的電容進(jìn)行平均。存儲在電感中的能量為：
存儲在電容中的能量為：
PEB控制器根據需求建立要求的供電，并在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中使這些等式相等。結果是一種“內存較少”的控制，每個(gè)周期都是“從零開(kāi)始”，因此在單個(gè)開(kāi)關(guān)周期內可形成完整的動(dòng)態(tài)響應恢復。輸出既沒(méi)有上沖，也沒(méi)有下沖?？刂破鞅旧砭秃芊€定，因為在控制功能中不需要增加補償極點(diǎn)。PEB控制計算框圖示于圖1。
圖1 PEB控制算法框圖
PEB控制可適應多種開(kāi)關(guān)拓撲，包括降壓拓撲和反激拓撲，并且可工作在非連續模式和連續模式。
為什么PEB符合PDN應用要求
在PEB控制下的轉換器輸出阻抗函數基本上是一個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的電阻，這與PDN應用的目標是一致的。這個(gè)固定電阻是電感與電容之比的函數。單周期響應可獲得最快可能的恢復時(shí)間，這也非常符合PDN應用要求。圖2和圖3顯示了平坦的阻抗曲線(xiàn)，采用的是低功耗、非連續模式的PEB演示板(這個(gè)測量結果由Cognipower公司提供，不是為任何特定應用設計的)。
圖2：上軌跡(粉紅)是輸出電壓響應，中間軌跡(黃色)是負載電流，下軌跡(綠色)是電感電流。注意，高頻沒(méi)有被濾除，為的是提供不變的控制器響應。
圖3：針對300mΩ輸出阻抗調節后的演示板負載階躍響應。注意，沒(méi)有上沖或下沖。為了去除紋波得到純凈的波形，對輸出電壓進(jìn)行了平均處理。
通過(guò)修改演示板的電感和電容值，設定好300mΩ的目標阻抗，然后將演示板放進(jìn)探測夾具。
根據18mV電壓偏移和58mA電流階躍計算出來(lái)的被測轉換器阻抗約為320mΩ。通過(guò)平均這個(gè)測量結果去除輸出紋波電壓后就可以得到純凈的波形。注意，電壓響應中一點(diǎn)都沒(méi)有上沖或下沖現象，見(jiàn)圖3。
雖然這個(gè)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(jìn)行調整。運算要求也很低，可以采用數字或模擬電路實(shí)現。想必控制器能夠集成進(jìn)單片芯片中。
PEB控制器是獨立于硬件的，允許控制硅MOSFET功率級電路，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。當為PDN應用考慮許多新的開(kāi)關(guān)拓撲時(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)拓撲。
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