【導讀】相較于傳統的電壓模式控制，電流模式控制具備多項優(yōu)勢，不僅動態(tài)響應更為迅捷，控制環(huán)路設計簡潔高效，還具備快速、精準的逐周期限流能力。為在進一步提升負載瞬態(tài)響應的同時，縮減輸出電容用量、減小方案體積并降低成本，可將有源電壓定位(AVP)技術集成至采用電流模式控制的穩(wěn)壓器中。AVP技術會根據負載電流變化，主動調節(jié)目標輸出電壓。本文對AVP技術展開詳細闡述，并對基于通用降壓穩(wěn)壓器實現的AVP電路給出了精確推導。
LTM4650-2（15VIN/雙路25A或單路50A）系列電源模塊將除大容量輸入、輸出電容以外的所有功率器件集成于單一封裝內，為系統設計人員提供高性能、高密度、簡便易用的解決方案。該系列模塊還采用峰值電流模式控制算法，可輕松實現并聯擴容，以提升輸出電流能力。圖1a為LTM4650?2應用中典型的負載瞬態(tài)波形。要想保障計算內核穩(wěn)定運行，關鍵在于將輸出電壓控制在允許范圍之內，尤其在負載瞬態(tài)變化過程中。例如，英特爾ALTERA Arria II器件針對不同功能，規(guī)定了±3%至±5%不等的電壓容差范圍1。通常，鎖相環(huán)(PLL)與內核工作電源的電壓容差限制為±3%，而I/O電源則為±5%。由于計算任務中負載瞬態(tài)變化速度極快，需采用高控制帶寬的穩(wěn)壓器或配備大容量輸出電容。增大輸出電容會導致方案體積與成本上升。
圖1：12VIN、1VOUT應用場景下，1μs內10A負載瞬態(tài)變化時的輸出電壓峰峰值：(a) 未采用有源電壓定位(AVP)；(b) 采用了AVP
為進一步提升LTM4650系列產品的瞬態(tài)性能，AVP技術提供了極具潛力的優(yōu)化方案，如圖1b中的示例所示。本文旨在闡明電流模式控制架構下AVP的基本原理，并給出AVP電路的設計指導。
傳統上，穩(wěn)壓器會將輸出電壓維持在目標值，不受輸入電壓或負載條件變化的影響。而采用AVP的穩(wěn)壓器則另辟蹊徑：在負載電流增大時，主動降低輸出電壓2。圖2展示了在采用AVP的穩(wěn)壓器中，輸出電壓與負載電流之間的這一關系。
這一設計突破了傳統固定輸出電壓的固有模式，完全契合CPU降壓穩(wěn)壓器(VRD)標準規(guī)范，即允許內核電壓隨負載電流增大而適度下調3。這種動態(tài)調節(jié)方式可實現功率資源的高效利用，在多變的負載工況下全方位優(yōu)化系統性能。
圖2：在采用AVP的穩(wěn)壓器中，輸出電壓與負載電流的關系曲線
在AVP功能中，額定標稱輸出電壓應按半載條件（Io(max)的50%）進行設計。在此配置下，輸出電壓范圍為：空載時額定電壓Vo +?V/2，至滿載時額定電壓Vo -?V/2。圖3提供了采用AVP的穩(wěn)壓器的輸出電壓波形示例。與傳統穩(wěn)壓器相比，經AVP調節(jié)的輸出電壓不會完全恢復至初始值。因此在負載瞬態(tài)過程中，電壓峰峰值可以顯著減小，顯著降低對輸出電容的要求。電容用量越小，可以更高效地利用電路板空間，有效節(jié)約系統設計成本。理論上，在額定滿載階躍條件下，采用AVP可使所需電容減少50%；或者在輸出電容不變的情況下，將輸出電壓峰峰值降低一半。
圖3：與典型補償方案相比，采用AVP可節(jié)約電容用量
AVP電路設計
面向處理器穩(wěn)壓應用的專用電源控制器，常常會內置可實現精準有源電壓定位（AVP，亦稱有源負載線）的電路。不過，即便對于通用電流模式控制型電源穩(wěn)壓器，實現AVP功能的方案也多種多樣3。例如，圖4展示了適用于LTM4650?2的最簡實現方案。只需在器件的COMP引腳增設兩只電阻，無需改動原有設計，即可實現AVP功能。由圖4a可見，新增電阻并不會對反饋電阻的選型造成影響。一方面，AVP精度高度依賴于誤差放大器跨導(gm)的精度4；另一方面，圖4b給出了另一種實現方式AVP?R，該方案需綜合考慮電阻R1、R2、Rlo與Rhi的參數。此方法雖使設計復雜度有所提升，卻能消除誤差放大器跨導gm帶來的影響。綜合以上因素，在LTM4650?2設計中，優(yōu)先推薦采用AVP?R方案，以確保在內核應用場景下實現更可靠、更精準的穩(wěn)壓效果。
圖4：(a) 基于COMP引腳的實現方案；(b) 基于FB引腳與COMP引腳的實現方案(AVP-R)4
為在LTM4650系列產品上以最簡方式實現AVP功能，LTpowerCAD?中提供了一個Excel電子表格，可在圖5所示的兩個位置找到。
圖5：AVP計算電子表格所在位置
在電子表格中，需輸入詳細的工作參數。按照推薦的Rlo、Rhi阻值及實際電路配置，即可實現右側所示的預期AVP功能。
圖6：電子表格界面
實驗結果
1.AVP功能驗證
為驗證LTM4650?2應用中AVP功能的設計方法，本文開展了相關實驗。實驗未計入直流電阻(DCR)或檢測電阻的熱效應。LTM4650?2配置為500kHz開關頻率，最大負載電流25A。為體現器件間的個體差異，實驗采用兩塊相同的電路板進行測試。圖7顯示了12V VIN、1V VOUT條件下的測試結果，電壓降低100mV，是LTM4650?2的典型應用工況。
圖7：12V VIN、1V VOUT且電壓降為100mV時的測試示例
2. 輸出電容縮減
為進一步展示在內核相關應用中采用AVP功能的優(yōu)勢，包括減小負載瞬態(tài)電壓峰峰值和縮減輸出電容用量，本文基于LTM4650?2進行了對比實驗。默認輸出電容配置為：2個470μF聚合物電容，搭配5個100μF陶瓷電容。滿載階躍切換時測得交流電壓波形為179mV。隨后，在相同硬件平臺上啟用AVP配置，負載瞬態(tài)下輸出電壓峰峰值降至97.6mV，降幅大約50%。換言之，若要實現相同的輸出電壓峰峰值，可將輸出電容數量減半，如表1所示。上述實驗進一步印證了在穩(wěn)壓器設計中加入AVP功能的優(yōu)勢：可顯著減小電壓峰峰值波動，最大限度降低對輸出電容的需求。輸出電容用量減少，穩(wěn)壓器設計所需電容數量隨之減少，因而可直接降低方案成本。
同時，AVP的實現方法并不僅限于LTM4650系列產品，該思路同樣適用于絕大多數采用峰值電流模式控制的電源模塊。該Excel電子表格亦可針對不同模塊重新配置、靈活復用。
表1：負載瞬態(tài)下不同的輸出電壓峰峰值
結論
本文針對在通用電流模式控制型降壓穩(wěn)壓器中實現AVP功能，提出了一套詳細的設計方法，并以LTM4650?2為例進行了說明與驗證。所提AVP設計方案巧妙化解了功率器件非線性帶來的難題，同時充分利用LTM4650?2的特性，為工況嚴苛的數據中心環(huán)境提供了高效穩(wěn)定、安全可靠的穩(wěn)壓解決方案。本文為追求在穩(wěn)壓器設計中實現AVP功能的工程師，提供了彌足珍貴的思路與切實可行的指導，最終可有效提升內核相關應用的系統性能，同時降低整體方案成本。
