通用电流模式控制型降压稳压器的有源电压定位设计与考量

作者：Yu Yan，应用工程师

摘要

相较于传统的电压模式控制，电流模式控制具备多项优势，不仅动态响应更为迅捷，控制环路设计简洁高效，还具备快速、精准的逐周期限流能力。为在进一步提升负载瞬态响应的同时，缩减输出电容用量、减小方案体积并降低成本，可将有源电压定位(AVP)技术集成至采用电流模式控制的稳压器中。AVP技术会根据负载电流变化，主动调节目标输出电压。本文对AVP技术展开详细阐述，并对基于通用降压稳压器实现的AVP电路给出了精确推导。

引言

LTM4650-2（15VIN/双路25A或单路50A）系列电源模块将除大容量输入、输出电容以外的所有功率器件集成于单一封装内，为系统设计人员提供高性能、高密度、简便易用的解决方案。该系列模块还采用峰值电流模式控制算法，可轻松实现并联扩容，以提升输出电流能力。图1a为LTM4650‑2应用中典型的负载瞬态波形。要想保障计算内核稳定运行，关键在于将输出电压控制在允许范围之内，尤其在负载瞬态变化过程中。例如，英特尔ALTERA Arria II器件针对不同功能，规定了±3%至±5%不等的电压容差范围1。通常，锁相环(PLL)与内核工作电源的电压容差限制为±3%，而I/O电源则为±5%。由于计算任务中负载瞬态变化速度极快，需采用高控制带宽的稳压器或配备大容量输出电容。增大输出电容会导致方案体积与成本上升。


图1：12VIN、1VOUT应用场景下，1μs内10A负载瞬态变化时的输出电压峰峰值：(a) 未采用有源电压定位(AVP)；(b) 采用了AVP

为进一步提升LTM4650系列产品的瞬态性能，AVP技术提供了极具潜力的优化方案，如图1b中的示例所示。本文旨在阐明电流模式控制架构下AVP的基本原理，并给出AVP电路的设计指导。

传统上，稳压器会将输出电压维持在目标值，不受输入电压或负载条件变化的影响。而采用AVP的稳压器则另辟蹊径：在负载电流增大时，主动降低输出电压2。图2展示了在采用AVP的稳压器中，输出电压与负载电流之间的这一关系。

这一设计突破了传统固定输出电压的固有模式，完全契合CPU降压稳压器(VRD)标准规范，即允许内核电压随负载电流增大而适度下调3。这种动态调节方式可实现功率资源的高效利用，在多变的负载工况下全方位优化系统性能。


图2：在采用AVP的稳压器中，输出电压与负载电流的关系曲线

在AVP功能中，额定标称输出电压应按半载条件（Io(max)的50%）进行设计。在此配置下，输出电压范围为：空载时额定电压Vo +∆V/2，至满载时额定电压Vo -∆V/2。图3提供了采用AVP的稳压器的输出电压波形示例。与传统稳压器相比，经AVP调节的输出电压不会完全恢复至初始值。因此在负载瞬态过程中，电压峰峰值可以显著减小，显著降低对输出电容的要求。电容用量越小，可以更高效地利用电路板空间，有效节约系统设计成本。理论上，在额定满载阶跃条件下，采用AVP可使所需电容减少50%；或者在输出电容不变的情况下，将输出电压峰峰值降低一半。


图3：与典型补偿方案相比，采用AVP可节约电容用量

AVP电路设计

面向处理器稳压应用的专用电源控制器，常常会内置可实现精准有源电压定位（AVP，亦称有源负载线）的电路。不过，即便对于通用电流模式控制型电源稳压器，实现AVP功能的方案也多种多样3。例如，图4展示了适用于LTM4650‑2的最简实现方案。只需在器件的COMP引脚增设两只电阻，无需改动原有设计，即可实现AVP功能。由图4a可见，新增电阻并不会对反馈电阻的选型造成影响。一方面，AVP精度高度依赖于误差放大器跨导(gm)的精度4；另一方面，图4b给出了另一种实现方式AVP‑R，该方案需综合考虑电阻R1、R2、Rlo与Rhi的参数。此方法虽使设计复杂度有所提升，却能消除误差放大器跨导gm带来的影响。综合以上因素，在LTM4650‑2设计中，优先推荐采用AVP‑R方案，以确保在内核应用场景下实现更可靠、更精准的稳压效果。


图4：(a) 基于COMP引脚的实现方案；(b) 基于FB引脚与COMP引脚的实现方案(AVP-R)4

为在LTM4650系列产品上以最简方式实现AVP功能，LTpowerCAD中提供了一个Excel电子表格，可在图5所示的两个位置找到。


图5：AVP计算电子表格所在位置

在电子表格中，需输入详细的工作参数。按照推荐的Rlo、Rhi阻值及实际电路配置，即可实现右侧所示的预期AVP功能。


图6：电子表格界面

实验结果

1.        AVP功能验证
为验证LTM4650‑2应用中AVP功能的设计方法，本文开展了相关实验。实验未计入直流电阻(DCR)或检测电阻的热效应。LTM4650‑2配置为500kHz开关频率，最大负载电流25A。为体现器件间的个体差异，实验采用两块相同的电路板进行测试。图7显示了12V VIN、1V VOUT条件下的测试结果，电压降低100mV，是LTM4650‑2的典型应用工况。


图7：12V VIN、1V VOUT且电压降为100mV时的测试示例

2.        输出电容缩减
为进一步展示在内核相关应用中采用AVP功能的优势，包括减小负载瞬态电压峰峰值和缩减输出电容用量，本文基于LTM4650‑2进行了对比实验。默认输出电容配置为：2个470μF聚合物电容，搭配5个100μF陶瓷电容。满载阶跃切换时测得交流电压波形为179mV。随后，在相同硬件平台上启用AVP配置，负载瞬态下输出电压峰峰值降至97.6mV，降幅大约50%。换言之，若要实现相同的输出电压峰峰值，可将输出电容数量减半，如表1所示。上述实验进一步印证了在稳压器设计中加入AVP功能的优势：可显著减小电压峰峰值波动，最大限度降低对输出电容的需求。输出电容用量减少，稳压器设计所需电容数量随之减少，因而可直接降低方案成本。

同时，AVP的实现方法并不仅限于LTM4650系列产品，该思路同样适用于绝大多数采用峰值电流模式控制的电源模块。该Excel电子表格亦可针对不同模块重新配置、灵活复用。

表1：负载瞬态下不同的输出电压峰峰值

       　  　  　  1× 470μF
  Output Caps  2× 470μF  2× 470μF  1× 470μF
  输出电容  2× 470μF  2× 470μF  pos-caps
  　  pos-caps  pos-caps  聚合物电容
  　  聚合物电容  聚合物电容  + 2× 100μF
  　  + 5× 100μF  + 5× 100μF  + 2× 100μF
  　  + 5× 100μF  + 5× 100μF  ceramic caps
  　  ceramic caps  ceramic caps  陶瓷电容
  　  陶瓷电容  陶瓷电容  (~50% Cout  reduction)
  Condition  　  　  （输出电容减少约50%）
  条件  　  　  　
  Compensation Method  Without AVP  AVP  AVP
  补偿方法  无AVP  AVP  AVP
  VOUT p-p  179  97.6 (45%  181
  VOUT p-p  179  97.6（降低  181
  (0A to 25A, 2μs)  　  reduction)  　
  （0A至25A，2μs）  　  45%）  　

结论

本文针对在通用电流模式控制型降压稳压器中实现AVP功能，提出了一套详细的设计方法，并以LTM4650‑2为例进行了说明与验证。所提AVP设计方案巧妙化解了功率器件非线性带来的难题，同时充分利用LTM4650‑2的特性，为工况严苛的数据中心环境提供了高效稳定、安全可靠的稳压解决方案。本文为追求在稳压器设计中实现AVP功能的工程师，提供了弥足珍贵的思路与切实可行的指导，最终可有效提升内核相关应用的系统性能，同时降低整体方案成本。

参考文献
1 Henry Zhang，“应用笔记149：开关电源的模型和环路补偿设计”，凌力尔特，2015年1月。
2 “Arria II Device Handbook, Volume 3:Device Datasheet and Addendum”，英特尔，2013年12月。
3 Robert Sheehan，“设计笔记224：“有源电压定位可减少输出电容”，凌力尔特，1999年。
4 “Voltage Regulator Module (VRM) and Enterprise Voltage Regulator-Down (EVRD) 11.1”，英特尔，2009年9月。

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作者简介
Yu Yan于田纳西大学获得电气工程博士学位。他于2022年加入ADI公司，担任应用工程师，涉足的专业领域包括直流-直流转换器、交流-直流转换器及数字控制。在校期间，他主要研究电动汽车充电器设计，目前在ADI负责电源模块的开发。