如何加強數字化降壓式交換電源供應器負載瞬時(shí)反應

一般穩壓器如圖一所示，輸入電源(Input Power, V_IN)并透過(guò)負回授(V_FB)系統轉換所要的輸出電壓(Output Power, V_OUT)，滿(mǎn)足使用者于所需的滿(mǎn)載(I_Load)輸出且保有穩壓的功能，當負載電流以階梯式(step)的改變，且超出穩壓系統的響應速度，則輸出電壓將有所改變，稱(chēng)為穩壓系統之負載瞬時(shí)反應。

圖一：一般穩壓電源供應系統示意圖

首先我們得了解負載瞬時(shí)反應發(fā)生時(shí)輸出電壓會(huì )如何變化，本文將以輸出電流從輕載到重載舉例。如上述之圖一所示，討論瞬時(shí)反應時(shí)輸出電容(C_OUT)必須將其等效串聯(lián)電阻(ESR)以及等效串聯(lián)電感(ESL)加以考慮；輸出電壓變化如圖二所示，當輸出電流以階梯式的從輕載(I_Load1)到重載(I_Load2)，電流瞬間變化時(shí)除了電容放電供給輸出，等效串聯(lián)電阻會(huì )造成壓降(Dropout Voltage)以及等效串聯(lián)電感造成壓降突波(spike)，接著(zhù)負回授系統開(kāi)始反應并對輸出電容充電，最后系統則逐漸穩壓，而如何實(shí)時(shí)地對輸出電容充電避免過(guò)多壓降并且迅速穩壓則成為電源供應系統的重大課題。

圖二：輕載到重載之負載瞬時(shí)反應以及輸出電壓變化

接著(zhù)，我們簡(jiǎn)單介紹數字化降壓式交換電源供應器Buck Converter的基本模型，如圖三數字電路控制模型，有別于傳統模擬電源供應器控制回路利用誤差放大器(Error Amplifier)做補償器(Compensator)調節脈波寬度(Pulse Width Modulation,PWM)，數字化電路使用ADC及PID控制，在固定操作頻率(Switching Frequency)下滿(mǎn)足：

輸出電壓方程式：

其中：

使用數字化電源供應器的原因，除了利用多次儲存內存(MTP)技術(shù)與可程序化之PID控制模型，使其PID控制程序擁有多次可調整特性得以最佳化系統穩定性，還可舍去多余的補償電路因而簡(jiǎn)化外部應用電路。

圖三：Buck Converter之數字控制電路

了解負載瞬時(shí)反應以及數字化降壓式電源供應器之后，接著(zhù)我們來(lái)看極端的階梯式輕重載瞬時(shí)反應在各種不同降壓式交換電源供應控制模型輸出電壓的變化。首先看圖四(a)傳統的模擬式電壓控制模型(Voltage Mode)，在圖四(b) t1與t2之間輸出電流瞬間變大，由于此交換式電源供應器操作于固定頻率，此時(shí)為電感自放電對輸出電容充電，能量并不夠輸出電流使用，因此電容放電提供輸出能量造成電壓降，直到下個(gè)操作頻率t2才由控制回路增加Ton時(shí)間提供足夠能量給輸出電容，之后系統則逐漸穩壓?；诖爽F象，我們希望系統瞬間對輸出電容充電得以提供足夠能量，由于負載瞬時(shí)反應中等效串聯(lián)電阻及等效串聯(lián)電感會(huì )瞬間造成輸出的電壓降，因此，有人提出新的模擬式固定時(shí)間控制模型(Constant On Time, COT)改善負載瞬時(shí)反應，其電路架構如圖五(a)將電壓回授(V_FB)訊號改用比較器(Comparator)與內部參考電壓(V_REF)比較，當電流瞬間變化如圖五(b)，造成輸出電壓降，脈沖寬度產(chǎn)生器(PWM Generator)立即反應產(chǎn)生一固定時(shí)間脈沖寬度，直到電壓回授訊號無(wú)壓降，系統快速穩壓，此架構無(wú)固定操作頻率，其固定脈沖寬度會(huì )自動(dòng)滿(mǎn)足上述方程式(1)，但缺點(diǎn)則是在選擇輸出電容時(shí)必須滿(mǎn)足：

輸出電容等效串聯(lián)電阻公式：

最后，我們將上述概念加入數字化電源供應器，如圖六(a)數字化負載瞬時(shí)反應技術(shù)控制電路，我們使用數字化緩存器于控制系統中加入遲滯電壓(ΔV_HYS)，透過(guò)ADC監控負回授電壓與內部參考電壓比較，如圖六(b)所示，當輸出電壓降大于設定之遲滯電壓，系統立即于ts處調節脈波寬度瞬間對電容充電以減小電壓降，直到輸出能量足夠后，再重新激活PID控制回路達到穩壓效果，相當于使用比較器，但數字化的好處是可利用緩存器設定遲滯電壓，擁有更好的可調整性。

圖四：(a)模擬電壓控制模型(Voltage Mode) (b) Voltage Mode輕載到重載瞬時(shí)反應

圖五：(a) 模擬固定時(shí)間控制模型(COT) (b) COT輕載到重載瞬時(shí)反應

圖六：(a) 數字瞬時(shí)反應技術(shù)控制模型(b) 數字瞬時(shí)反應技術(shù)輕載到重載瞬時(shí)反應

最后，總結數字化電源供應器負載瞬時(shí)反應技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 經(jīng)由相同的負回授訊號針對輸出電壓變化立即反應

(2) 數字化緩存器使遲滯電壓具有可程控的特性