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具快速負載響應且設計簡便的寬輸入電壓降壓交換式電源方案
 

【作者: 周中明】   2021年08月27日 星期五

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現今, 隨著工業控制、工業電腦、車用電子,甚至伺服器的需求越來越多樣化,產品輸入電壓範圍也變得非常寬。有些應用提高輸入電壓來減少輸入電流,以減少輸入線損並提高轉換效率。新型的伺服器已可見48V輸入的需求!有些應用也使用不同電壓源來對系統供電,例如工業平板電腦使用12~36V的DC輸入或使用2~3串的鋰電組供電( 電壓範圍6V~12.6V之間),這對於3.3V、1.8V、1.2V等較低系統電壓需用6V~36V輸入的的電源穩壓方案,就有寬輸入電壓方案的需求。另外,系統對運算速度要求越來越快,當晶片操作時脈增加,晶片對電源的穩定度要求也越來越高 。電源方案要達到此條件,快速負載響應就成為必要條件!



圖一展現定頻電壓模式降壓轉換器的架構與優缺點,這架構主要好處是普遍、控制器設計簡單和Pulse-width Modulation(PWM)三角波振幅大,降低占空比誤差;缺點是電感器與輸出電容產生雙極點,需用複雜補償迴路、補償迴路速度慢及瞬態響應差!另外,由於誤差放大器 (Error Amplifier, EA)的增益會被輸入電壓影響,要做到寬輸入電壓的設計會有挑戰!



圖二列出此架構瞬態變化相關波型。可看到當輸出電流上升,由於補償迴路延遲,輸出電壓(也反映在迴授電壓)會往下掉直到回授電路察覺這變化,開始調整占空比(Duty Cycle)。由高端閘驅動波形知道占空比在紅色區域才調整,這已落後一PWM週期!如果回授電路沒調好,反應再慢,輸出電壓降幅會更大,造成系統電壓過低而出問題!


Microchip 的Hyper Speed ControlR架構(又稱為Adaptive Constant On-Time Control架構)可在寬範圍的輸入電壓產生穩定的輸出。並對快速的負載變動有很快的頻率響應,又可簡化整體電路的設計!



接著分析Hyper Speed Control架構的優點。圖三用Microchip 的MIC2127A簡化方塊圖說明此架構組成,包括了處理輸出反饋的放大電路單元、產生固定on-time的預估電路、電流限制電路、控制邏輯與閘驅動。它的操作原理可參考圖四,圖中顯示了相關波形,當輸出電流在瞬態上升,一開始輸出電壓往下掉(也反映在回授電壓),但當迴路偵測到回授電壓低於參考電壓( VREF)時,高端閘驅動會結束OFF時間並開啟一個固定on-time,在on-time結束後如果發現回授電壓還沒高於VREF值,表示輸出電壓還未回復;這時此架構用最小OFF時間(TOFF(min))對高端閘驅動的電荷幫浦電路補充電荷,之後再開啟下個on-time,高端MOSFET會依固定on-time + TOFF(min) 的週期持續【開啟-關閉】直到回授與輸出電壓回到正常值!這時的PWM週期比在穩態時短 (T_transient = on-time + TOFF(min) )。此時PWM的占空比也會開到最大(DutyCycle_transient = (on-time) / ( on-time + TOFF(min) )。把瞬態的操作頻率與占空比同時加大,自然瞬態響應就好,達到快速負載響應的目的!


以上是對有快速負載響應,簡便設計的寬輸入電壓的降壓交換式電源方案的介紹, 並以Microchip系列產品的MIC2127A當範例來講解方案優點,詳細資訊請參考MIC2127A數據手冊:http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/20005676b.pdf


本文作者為:Microchip應用工程師經理 周中明


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