增强DC/DC变换器动态响应的新方法

现代MPU和DSP中使用的节能技术会使负载电流在工作时有大幅度的变动，负载电流
阶跃的转换速率和振幅可能非常高。例如，Intel Pentium4电流阶跃的转换速率可能高达350A/ms。但是，电源线路中允许的最大电压降落或过冲不得超过100~120mV!因此，电源设计工程师经常面临的一 个难题是如何在当负载电流高速瞬变时能提供快速的动态响应。

图1  DRC的方框图

图2  负载瞬变期间的DC/DC和DRC电流

标准解决方案
为提高DC/DC变换器和稳压器的负载动态响应，许多设计工程师选择使用大容量输出电容器。大容量电容器通常必须具有非常低的ESR(等效串联电阻)值。这代表着必须以并联方式连接众多电容器。此解决方案的成本较高，并且需要占用大量的板空间。 
提高DC/DC变换器动态响应的另一种方法是降低变换器的输出滤波电感。此解决方案的缺点是效率较低，因为它需要较高的开关频率。
一些设计工程师使用带辅助快速线性稳压器的DC/ DC变换器。此解决方案必须使用较高的供电电压对线性稳压器供电，因此转换效率较低。
另外的方法是并连一个或多个DC/DC变换器来改善动态响应。此解决方案必须同步于不同的变换器(包括开关频率和相位)，因此电路比较复杂。

全新的解决方案
本文建议的动态负载瞬变响应电路(DRC)可以与任何DC/DC变换器配合使用。此解决方案可以减少对大容量电容器的要求，或无需使用此类电容器。与其它解决方案相比，成本更低，并且占用的板面积更小。它不会对效率有较大的影响。这一新颖的设计基于能对输出电压变化作出快速反应的大功率误差放大器，以及用于能量存储的“悬浮”电容器。图1所示为DRC的方框图。
当输出电压因电流快速阶跃而突然下降时，电容器中存储的能量将直接提供给负载。储能电容器相对较小，但所充的电压高于标称输出值。对储能电容器的ESR参数没有像在使用大容量输出电容器情况下那样要求严格。
(1)式可用于估计对储能电容器进行充电所需的电压。假定电容值大到足以存储所需的能量。
Ua = Un + DI · (ESR + Ron)   (1)
其中： Ua表示辅助(充电)电压；Un表示标称输出电压；DI表示最大的负载电流阶跃；Ron表示放大器输出阶段(输出FET)的导通电阻；ESR表示储能电容器的等效串联电阻。
如果负载电流迅速下降，通常会导致输出电压过冲，抑制器电路只需耗散此附加能量，便可大幅降低过冲值及其持续时间。
(2)式可用于估计负载电流突然下降时供电电压的过冲值。假定DC/DC变换器相对较慢，并且由瞬变抑制电路吸收整个负载电流降落。
DU = DI ·Ron     (2)
其中： DU表示过冲电压；DI表示电流降落；Ron表示放大器输出阶段(输出FET)的导通电阻。
DRC电路的损耗可以按照下面的公式计算。该瞬变响应电路将只处理负载电流中的变化。因此，只有电流变化值DI重要，而实际输出电流并不重要，见图2。图中的阴影部分代表DRC需要吸收的电流，以及在DC/DC变换器对负载电流变化完全作出反应之前的源电流。
假定DRC电路远远快于变换器，则DRC的工作时间取决于DC/DC变换器的电流改变速率Sr，并可分为不同的电流上升速率(Sru)及下降速率(Srd)。现在，我们研究一个负载电流脉冲期间的能量损耗。
首先，按照(3)和(4)计算正负载电流阶跃期间的能量损耗。
Ep=((Ua-Un)·ΔI/2)·tup   (3)
tup=ΔI/Sru
Ep=((Ua-Un)·ΔI2/2)/Sru   (4)
其中： Ep表示负载电流增加期间DRC中损耗的能量；Un表示变换器的标称输出电压；Ua表示储能电容器的电压；DI表示电流上升阶跃；Sru表示变换器的电流上升变化速率。
要计算负载电流下降期间DRC的能量损耗，可以使用(5)式和(6)式：
En=(Un·ΔI/2)·td     (5)
由于td=ΔI/Srd
En=(Un·ΔI2/2)/Srd    (6)
其中： En表示负载电流下降期间DRC中损耗的能量；Un表示变换器的标称输出电压；DI表示电流降落；Srd表示变换器的电流下降变化速率。
对于整个电流瞬变周期(负载电流上升和下降阶跃)中的能量损耗E，可以用(7)式计算：
E = ((Ua-Un)(ΔI2/2)/Sru + (Un(ΔI2/2)/Srd (7)
其中： Un表示标称输出电压；DI表示电流下降阶跃；Srd表示变换器的电流下降变化速率；Sru表示变换器的电流上升变化速率；Ua表示辅助(充电)电压。
DRC中的平均功率损耗Pl取决于负载瞬变的平均频率f，并可以按照(8)式进行计算。
Pl=f·(ΔI2/2)·((Ua-Un)/Sru+Un/Srd)  (8)
如果DC/DC变换器的电流上升变化速率与下降变化速率相同，则可以按照(9)式估算平均能量损耗。
Pl=f·(ΔI2/2)·Ua/Sr    (9) 
Sru=Srd=Sr

测试结果
上文介绍的DRC电路已径使用多个标准的DC/DC模块进行了测试。详见本刊网站www.eaw.com.cn。

结语
DRC电路可以大幅降低DC/DC变换器负载瞬变失真的幅度和持续时间。测试结果显示DRC可以取代昂贵的低ESR大容量输出电容器。 
DRC电路参数必须与DC/DC变换器的特性以及负载电流瞬变的最大幅度相匹配。应小心选择辅助充电电压和储能电容器，以便与DC/DC输出电流转换速率和负载电流阶跃的振幅相匹配。