DC-DC变换器AVP控制方法的分析

DC-DC变换器AVP控制方法的分析

摘要：随着电压调整模块（ＶＲＭ）输入容量的越来越大和动态要求的越来越严格，适应降压（AVP）控制在VRM中的应用被人们重新认识。本文对AVR控制策略的有源法和无源法进行了理论分析，并采用一种新式检测方法实现AVP控制，并通过比较实验证实了AVP控制方法的优越性。

CPU和DSP对数据处理速度和容量的要求不断提高，对电源模块的供电要求也就相应地提高了，主要体现在电源的输出电流大小及其变化率和输出电压峰－峰值上。采取的措施有多通道buck电路拓扑和良好的控制方法，如V2控制法和滞回控制法等，这样可以改善电源的稳态和动态性能、提高电源效率。但是对于更低的输出电压、更大的电流动态变化率，不可避免地要采用更大容量、更低ＥＳＲ的电容以减少瞬态电压峰－峰值。而大容量、低ＥＳＲ电容增加了模块的成本，占用更大的空间，不利于提高功率密度。基于以上种种问题，采用ＡＶＰ方法（如图１所示）使电源在满载时电压比所要求的最低电压高，在空载或轻载时输出电压比所要求的最高电压低，这样不仅有利于电源模块的热设计，而且动态过程电压工作在窗口电压内，输出电压峰－峰值小、恢复时间短。但是文献提出的方法较为复杂，使用专用的控制芯片导致开发成本增加，提出的方法在实际应用中电路效率较低。本文对ＡＶＰ控制方法进行深入分析，归纳总结出各种ＡＶＰ的实现方法，并提出了一种新颖高效的控制方法，用实验证明ＡＶＰ方法的优越性。

１ ＡＶＰ控制有源法的分析

ＡＶＰ有源控制为双环控制，其基本原理如图２所示。通过检测电感电流，根据降压要求相应调节输出电压的基准。输出电压跟随基准电压而实现ＡＶＰ控制。图３为ＡＶＰ有源控制的方块图，假设电流环增益为Ｔｉ，电压环增益为Ｔｖ，则：

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)

此处Ｒｃ为输出电容Ｃｏ的等效电阻值，Ｒｏ为输出负载。当ｗ＞＞ｗＥＳＲ且Ａｉ＝Ｒｃ时，则(3)式值为１。这说明了在此情况下电流环、电压环有相同的截止频率，而Ａｖ的设计对电流环、电压环的比值没有影响，其零极点的设计则依据电流环的设计方法进行。

其中，Ｌ为等效输出电感，ｆｓ为开关频率，ｗｚ用于补偿功率双极点，ｗｐ用于消除开关噪声，ｗｉ保证电流环的截止频率高于输出电容引入的ＥＳＲ零点频率。基于以上原则，设计固定输出阻抗值为输出电容的ＥＳＲ值。实现方法?眼２?演分别为检测开关管导通电阻、续流管导通电阻或串联阻值小的检测电阻。前两种方法受温度的影响不宜采用，而串联阻值小的检测电阻有助于改善温度变化引起的精度变化，但是在主电路中串联电阻必然引起电源模块效率的下降。

２ ＡＶＰ控制无源法的实现

采用无源法增加检测电阻，如图４所示。通过检测Ｖａ使之等于ＶＲＥＦ，实现ｖｏ＝Ｖｒｅｆ－ｉｏ×Ｒｓ，使电源在满载时电压比所要求的最低电压高，在空载或轻载时输出电压比所要求的最高电压低。从而使得输出电压在负载动态跳变时能够较快地达到稳定，提高动态响应，以改善电压大电流所引起的动态响应与电路成本的矛盾关系。

３ 实验结果分析

本文通过检测输出电感电阻的阻值，对其进行适当的处理，有效地实现ＡＶＰ控制（如图５所示），避免了在电感与输出端增加电阻所引起的效率下降问题。图５(ｂ)和图６为采用ＡＶＰ控制方法和不采用ＡＶＰ控制方法两种情况下的实测动态波形。输出电流由空载到半载(０→７．５Ａ)时测得输出电压峰－峰值为９７ｍＶ，而不采用ＡＶＰ控制方法时输出电压峰－峰值为３１８ｍＶ。而且图５(ｂ)的动态恢复时间明显比图６的恢复时间短。可见，采取ＡＶＰ控制有着良好的动态响应，进而可减

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