DC-DC变换器AVP控制方法的分析

中心论题：

• AVP控制有源法的分析
• AVP控制无源法的实现
• 实验结果分析

解决方案：

• AVP控制有源法
• AVP控制无源法

 
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，文献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。
 

 
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:

 

　　
　　 
 
 
 
 

由(2)/(1)可得：

　
　
　　
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。

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。

 
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，进而可减小输出电容及降低成本。

 
 

 

 
随着VRM的深入发展，为满足低电压、大电流的需要，相继提出了各种电路拓扑，如带抽头电感的BUCK电路、有源钳位的BUCK电路、耦合绕组的BUCK电路、移相软开关BUCK电路等;并有优良的控制方法问世，如V2控制、滞回控制等。以上的这些方法都甚是难以满足电源模块的发展需要。AVP的控制方法在适当降低负载调整率的情况下有效地改善了模块的动态响应，在低电压、大电流的应用场合中被人们重新认识。本文对其从理论方法进行分析，并采用新的检测方法通过实验证明了AVP良好的动态调节能力。

 

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