适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制

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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。取得最优性能的第一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:

适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制

存储在电容中的能量为:

适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制

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。

 

适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制
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。单周期响应可获得最快可能的恢复时间,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)。

 

适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制

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。

适合电源分配网络应用的预测性能量平衡控制

 

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最佳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。