开关电源能耗控制 负载瞬态响应时间分析



商悦传媒   2019-04-30 03:10

导读: AC-DC开关电源管理芯片,采用原边反馈和副边反馈拓扑结构,应用于适配器、手机充电器等电源供电。其典型规...

  AC-DC开关电源管理芯片,采用原边反馈和副边反馈拓扑结构,应用于适配器、手机充电器等电源供电。其典型规格包含5V/1A、5V/2A12V/1A、12V/1.5A、12V2A、19V3.4A等,满足六级能效要求。通过限制电源的最大空载功耗,该标准迫使电源制造商降低电源空载时来自市电的输入电流。虽然在待机时限制控制电路的电流能够节省电能,但它也影响了电源从空载迅速过渡到满载的能力,而在这个永远在线的消费电子世界中,这个特性一直被我们视为是理所当然的。

  负载瞬态响应时间直接影响输出电压的质量;较快的响应速度有助于减少输出电压偏差,而且不必使用多余的输出电容器;较慢的响应速度则反之。使用低功耗时,响应速度通常较慢,从而迫使电源不得不依赖外部组件来响应输出电流的变化。负载瞬态响应时间实际上是控制环路的大信号响应时间,整合了小信号稳定性和一些大信号因素,例如,控制电路能够迅速转换放大器和驱动器的输出。如果器件的转换速率较低,而且小信号带宽也较窄,输出响应负载变化的速度也较慢。

  电子器件中的一些基本关系是通用的,虽然这不一定是绝对的。例如,工作电流很小的运算放大器或对比器转换输出的速度与工作电流较大的器件一样快。随着电流的下降,传播时延也会增加,因为用于降低电流的各个级联输入级将增加信号穿过电路的时间。对于AC/DC转换器,输出变压器的反射阻抗所产生的复杂性以及寄生电感的特性增加了分析大信号响应时间的复杂性。通过关注自身能够做什么,而不去考虑主动无源组件的改变,我们就能有最大程度的电源性能提升,并降低工作电流。

  当任何电源的输出电流发生变化时,多个因素将影响电源输出响应负载变化的速度和精度。通过将电源视作一个黑盒子-非理想电源,我们可以分析出是哪些因素决定了响应时间。

  。假設这个模型为一黑盒子,其输出电路是一个黑盒子电源,配有一个使用等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)和额定容量建模的输出电容器。根据输出电流的转换速率以及输出电容的ESR和ESL,由于电流的瞬时增加导致输出电压迅速下降。电压瞬时下降的原因是输出电容的ESR,而这个初始尖峰的恢复特性则取决于ESL

  合理选择ESR和ESL较低的旁路电容能够将这个初始尖峰趋近于零。一旦输出电容开始向输出端提供电流,电压将根据输出电流和输出总电容下降(dV = (I/C)*dt)。输出电压的下降幅度完全取决于电源响应变化并开始向输出电容器和负载提供电流的时间(dt)。一旦开始向输出端提供电流,输出电容将充至标称输出电压,并提供一个较小的输出偏移量。这个输出偏移量通常被称为负载调整率,而且通常取决于控制环路的增益特性。系统中的增益越大,对负载的电压输出精度就越高。

  反激式转换器中所使用的可以是模拟或数字。这两种技术均用于完成相同的功能,但所采用的方法截然不同。模拟使用模拟放大器监测来自输出端的反馈,以便生成一个误差信号,然后将其与一个参考信号进行对比,并对输出级进行调制,以使输出电压返回到调节状态。数字电路将模拟反馈信号转换为数字形式,然后将该字与一个已设定的对比点进行对比,再使用比例-积分-微分(PID)过滤器对输出进行调制,以调节输出电压。从黑盒子的角度而言,它们完成了相同的功能,但黑盒子内部却是两个截然不同的世界。

  采用模拟技术的电源已问世数十年。作为一种广为熟悉的技术,模拟的优缺点已经被探讨了很长一段时间。作为任何模拟的核心(图2),传统的误差放大器的性能取决于偏置电流。虽然的确存在能够以很小的偏置电流实现较高性能的技术,但却要牺牲硅片空间,而这是一个昂贵的代价。但是,一旦你为了遵从严格的最新能效标准而限制了这些模拟的电流,它们的响应时间将会大幅延长。回顾上述的输出负载瞬态响应时间分析以及控制环路的响应时间对输出电压质量的影响,我们可以清楚地看到,环路越快,输出电压的完整性就越高。

  数字的功能与模拟相同,但黑盒子里面的某些内容却完全不同。一个典型的数字电源由一个PID过滤器、数字参考、数字脉冲宽度调制(PWM)生成器和输出驱动器构成。它将反馈信号转换为一数字列,然后将该字列与数字参考点进行对比,再使用PID过滤器决定数字化的PWM电路将向主电源设备输出。一个标准的基于PID的数字对复杂变化响应较慢,除非它使用速度极高的ADC和时钟频率极高的数字内核。在负载总是较大的大电流应用中,这种方法是可行的,可以实现很快的响应速度,但在轻载情况下,与模拟类似,简单的数字也会无法满足较高性能。

  一个标准的模拟相较于数字,这两个端点电路之间没有理由存在重大的性能差距。但是,数字设计已经发展到这样的程度:可以为设计增添一些模拟难以实现的自由度。与数字PID主控模块并联的额外的模拟或数字电路更可大幅提升电路的性能。单纯的模拟很难实现这一点,因为额外的控制电路会严重破坏频率补偿。在模拟中,一个控制环路本本已很难稳定,多个并联运行的环路需要极为复杂的补偿机制,而为了实现稳定,这通常又会导致不可接受的权衡。不论在DC/DC或AC/DC中,都存在相同的问题。快速动态负载响应所产生的影响

  具备快速动态负载响应功能的电源不仅在维持最终应用所需的电压稳定性、规格和性能方面拥有明显优势,而且还能减少维持输出电压所需的大容量电容,从而缩减电路的规模和成本。在要求高性能和低成本、同时要求遵从国际能效标准的典型应用就是用于为智能手机充电的USB兼容输出、並通用于离线输入电压适配器。针对使用USB连接器的电池充电器的USB BC1.2规范定义了一个恒定的DC输出电压在通用AC输入电压范围下运作,以确保使用遵从USB BC1.2规范的适配器的智能手机能够正常工作。该规范还定义了一个恢复时间,即输出从标称的电压降至最低的电压,然后再恢复的时间。输出必须在指定的时间和DC容差内恢复。

  表1列出了需要遵从USB BC1.2的规范的规格。响应时间和电压似乎容易实现,尤其相对DC/DC转换器而言,但AC/DC电源必须遵从DoE规范,而这是一个极大的挑战。

  电源转换事业群(前iWatt Inc.)出品的iW1760遵从USB BC1.2规范,同时遵从DoE于2014年2月颁布的最新的能效标准以及欧盟颁布的最严格的能效标准“Code of Conduct Version 5, Tier 2”。图4 显示了iW1760在一个10W USB充电应用中的响应时间:输出在6ms内响应了一个2A负载变化,并将输出电压保持在USB BC1.2 AC所要求的范围内,并留出了一些余量。

  数字技术正在将掀开一个新的电源设计时代,甚至能为那些不精通电源的设计工程师提供灵活、易用的解决方案。数字电源管理技术领域的进步让快速响应成为可能,并让消费电子应用的电源适配器能够在不牺牲性能的情况下,满足国际能效规定

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