如何加強數(shù)字化降壓式交換電源供應(yīng)器負載瞬時反應(yīng)

一般穩(wěn)壓器如圖一所示，輸入電源(Input Power, V_IN)并透過負回授(V_FB)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換所要的輸出電壓(Output Power, V_OUT)，滿足使用者于所需的滿載(I_Load)輸出且保有穩(wěn)壓的功能，當負載電流以階梯式(step)的改變，且超出穩(wěn)壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度，則輸出電壓將有所改變，稱為穩(wěn)壓系統(tǒng)之負載瞬時反應(yīng)。

圖一：一般穩(wěn)壓電源供應(yīng)系統(tǒng)示意圖

首先我們得了解負載瞬時反應(yīng)發(fā)生時輸出電壓會如何變化，本文將以輸出電流從輕載到重載舉例。如上述之圖一所示，討論瞬時反應(yīng)時輸出電容(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)，電流瞬間變化時除了電容放電供給輸出，等效串聯(lián)電阻會造成壓降(Dropout Voltage)以及等效串聯(lián)電感造成壓降突波(spike)，接著負回授系統(tǒng)開始反應(yīng)并對輸出電容充電，最后系統(tǒng)則逐漸穩(wěn)壓，而如何實時地對輸出電容充電避免過多壓降并且迅速穩(wěn)壓則成為電源供應(yīng)系統(tǒng)的重大課題。

圖二：輕載到重載之負載瞬時反應(yīng)以及輸出電壓變化

接著，我們簡單介紹數(shù)字化降壓式交換電源供應(yīng)器Buck Converter的基本模型，如圖三數(shù)字電路控制模型，有別于傳統(tǒng)模擬電源供應(yīng)器控制回路利用誤差放大器(Error Amplifier)做補償器(Compensator)調(diào)節(jié)脈波寬度(Pulse Width Modulation,PWM)，數(shù)字化電路使用ADC及PID控制，在固定操作頻率(Switching Frequency)下滿足：

輸出電壓方程式：

其中：

使用數(shù)字化電源供應(yīng)器的原因，除了利用多次儲存內(nèi)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(diào)整特性得以最佳化系統(tǒng)穩(wěn)定性，還可舍去多余的補償電路因而簡化外部應(yīng)用電路。

圖三：Buck Converter之數(shù)字控制電路

了解負載瞬時反應(yīng)以及數(shù)字化降壓式電源供應(yīng)器之后，接著我們來看極端的階梯式輕重載瞬時反應(yīng)在各種不同降壓式交換電源供應(yīng)控制模型輸出電壓的變化。首先看圖四(a)傳統(tǒng)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(yīng)器操作于固定頻率，此時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，直到下個操作頻率t2才由控制回路增加Ton時間提供足夠能量給輸出電容，之后系統(tǒng)則逐漸穩(wěn)壓?；诖爽F(xiàn)象，我們希望系統(tǒng)瞬間對輸出電容充電得以提供足夠能量，由于負載瞬時反應(yīng)中等效串聯(lián)電阻及等效串聯(lián)電感會瞬間造成輸出的電壓降，因此，有人提出新的模擬式固定時間控制模型(Constant On Time, COT)改善負載瞬時反應(yīng)，其電路架構(gòu)如圖五(a)將電壓回授(V_FB)訊號改用比較器(Comparator)與內(nèi)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(yīng)產(chǎn)生一固定時間脈沖寬度，直到電壓回授訊號無壓降，系統(tǒng)快速穩(wěn)壓，此架構(gòu)無固定操作頻率，其固定脈沖寬度會自動滿足上述方程式(1)，但缺點則是在選擇輸出電容時必須滿足：

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(shù)字化電源供應(yīng)器，如圖六(a)數(shù)字化負載瞬時反應(yīng)技術(shù)控制電路，我們使用數(shù)字化緩存器于控制系統(tǒng)中加入遲滯電壓(ΔV_HYS)，透過ADC監(jiān)控負回授電壓與內(nèi)部參考電壓比較，如圖六(b)所示，當輸出電壓降大于設(shè)定之遲滯電壓，系統(tǒng)立即于ts處調(diào)節(jié)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(wěn)壓效果，相當于使用比較器，但數(shù)字化的好處是可利用緩存器設(shè)定遲滯電壓，擁有更好的可調(diào)整性。

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

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

圖六：(a) 數(shù)字瞬時反應(yīng)技術(shù)控制模型(b) 數(shù)字瞬時反應(yīng)技術(shù)輕載到重載瞬時反應(yīng)

最后，總結(jié)數(shù)字化電源供應(yīng)器負載瞬時反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)點：

(1) 經(jīng)由相同的負回授訊號針對輸出電壓變化立即反應(yīng)

(2) 數(shù)字化緩存器使遲滯電壓具有可程控的特性