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DC-DC變換器AVP控制方法的分析

時間:2023-03-18 14:31:42 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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DC-DC變換器AVP控制方法的分析

摘要:隨著電壓調整模塊(VRM)輸入容量的越來越大和動態(tài)要求的越來越嚴格,適應降壓(AVP)控制在VRM中的應用被人們重新認識。本文對AVR控制策略的有源法和無源法進行了理論分析,并采用一種新式檢測方法實現(xiàn)AVP控制,并通過比較實驗證實了AVP控制方法的優(yōu)越性。

CPU和DSP對數據處理速度和容量的要求不斷提高,對電源模塊的供電要求也就相應地提高了,主要體現(xiàn)在電源的輸出電流大小及其變化率和輸出電壓峰-峰值上。采取的措施有多通道buck電路拓撲和良好的控制方法,如V2控制法和滯回控制法等,這樣可以改善電源的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能、提高電源效率。但是對于更低的輸出電壓、更大的電流動態(tài)變化率,不可避免地要采用更大容量、更低ESR的電容以減少瞬態(tài)電壓峰-峰值。而大容量、低ESR電容增加了模塊的成本,占用更大的空間,不利于提高功率密度;谝陨戏N種問題,采用AVP方法(如圖1所示)使電源在滿載時電壓比所要求的最低電壓高,在空載或輕載時輸出電壓比所要求的最高電壓低,這樣不僅有利于電源模塊的熱設計,而且動態(tài)過程電壓工作在窗口電壓內,輸出電壓峰-峰值小、恢復時間短。但是文獻提出的方法較為復雜,使用專用的控制芯片導致開發(fā)成本增加,提出的方法在實際應用中電路效率較低。本文對AVP控制方法進行深入分析,歸納總結出各種AVP的實現(xiàn)方法,并提出了一種新穎高效的控制方法,用實驗證明AVP方法的優(yōu)越性。

1 AVP控制有源法的分析

AVP有源控制為雙環(huán)控制,其基本原理如圖2所示。通過檢測電感電流,根據降壓要求相應調節(jié)輸出電壓的基準。輸出電壓跟隨基準電壓而實現(xiàn)AVP控制。圖3為AVP有源控制的方塊圖,假設電流環(huán)增益為Ti,電壓環(huán)增益為Tv,則:

Ti=Av×FM×Gid×Ai (1)

Tv=Av×FM×Gvd (2)

由(2)/(1)可得:

wESR=1/(Rc×Co),wR.0=1/Ro×C0)

此處Rc為輸出電容Co的等效電阻值,Ro為輸出負載。當w>>wESR且Ai=Rc時,則(3)式值為1。這說明了在此情況下電流環(huán)、電壓環(huán)有相同的截止頻率,而Av的設計對電流環(huán)、電壓環(huán)的比值沒有影響,其零極點的設計則依據電流環(huán)的設計方法進行。

其中,L為等效輸出電感,fs為開關頻率,wz用于補償功率雙極點,wp用于消除開關噪聲,wi保證電流環(huán)的截止頻率高于輸出電容引入的ESR零點頻率;谝陨显瓌t,設計固定輸出阻抗值為輸出電容的ESR值。實現(xiàn)方法?眼2?演分別為檢測開關管導通電阻、續(xù)流管導通電阻或串聯(lián)阻值小的檢測電阻。前兩種方法受溫度的影響不宜采用,而串聯(lián)阻值小的檢測電阻有助于改善溫度變化引起的精度變化,但是在主電路中串聯(lián)電阻必然引起電源模塊效率的下降。

2 AVP控制無源法的實現(xiàn)

采用無源法增加檢測電阻,如圖4所示。通過檢測Va使之等于VREF,實現(xiàn)vo=Vref-io×Rs,使電源在滿載時電壓比所要求的最低電壓高,在空載或輕載時輸出電壓比所要求的最高電壓低。從而使得輸出電壓在負載動態(tài)跳變時能夠較快地達到穩(wěn)定,提高動態(tài)響應,以改善電壓大電流所引起的動態(tài)響應與電路成本的矛盾關系。

3 實驗結果分析

本文通過檢測輸出電感電阻的阻值,對其進行適當的處理,有效地實現(xiàn)AVP控制(如圖5所示),避免了在電感與輸出端增加電阻所引起的效率下降問題。圖5(b)和圖6為采用AVP控制方法和不采用AVP控制方法兩種情況下的實測動態(tài)波形。輸出電流由空載到半載(0→7.5A)時測得輸出電壓峰-峰值為97mV,而不采用AVP控制方法時輸出電壓峰-峰值為318mV。而且圖5(b)的動態(tài)恢復時間明顯比圖6的恢復時間短?梢,采取AVP控制有著良好的動態(tài)響應,進而可減

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