修改我们的开关电源架构以改善瞬态响应，第二部分

尽管输出电压随负载的变化在美学上令人不快，但该模型相对于前一个模型的优势是巨大的。它包含相同限制之间的输出电压，具有几乎两倍的 ESR，并且当我们将它们与允许的偏差进行比较时，误差源和纹波电压会变小，这通常是这种情况。将近两倍的 ESR 意味着输出电容器的数量几乎减少了一半，从而大大降低了成本和尺寸。剩下的问题是：我们如何设计电源以具有此特性?

一种方法是放松负载调节以帮助控制负载瞬态。然而，这种方法受到负载瞬态带宽限制和不准确性的影响。因此，为了传达看似较差的负载调节带来的潜在好处，我们可以使用电压定位 方法。尽管使用这种方法不足以实现最佳电源模型的性能，但它可以让我们深入了解必须如何修改电源。

实现电压定位最直接的方法是在固定电压调节点和负载之间添加一些串联电阻。在输出电容器和负载之间增加电阻会破坏减少瞬态抑制的目的。相反，我们应该在电感器和输出电容器之间增加电阻。然后，这种方法会调节添加的电阻器和电感器连接处的输出电压，因此会随着负载的增加而降低。只有输出电容器提供初始瞬态电流，从而产生与 ESR 成正比的电压降，该电压降可能不小于必要值。因此，还希望电路在瞬态稳定后以相同的比例降低其输出电压。这种情况意味着增加的，或“下垂的，

如果我们不正确地选择或控制增加的下垂阻力，此实施会产生令人失望的结果。这个因素部分解释了对最常见的电压定位技术的不热情接受：使用走线电阻来产生电压降。迹线电阻通常对印刷电路板制造批次和温度的耐受性较差。如果电阻必须很大，也可能难以通过印刷电路板布局产生足够的电阻。

这种实施方式的另一个不受欢迎的特点是，电源通过印刷电路板走线电阻或使用分立电阻器被动地完成电压定位。该电阻必须产生整个电压降。当所需电阻较大时，该电阻的功耗可能会成为问题。术语“无源电压定位”将这种技术与混合技术区分开来，这对科学界来说是令人失望的。此外，应用文献通常会推荐一个模棱两可的抗下垂值，该值远低于应有的值，这也让科学界感到失望。这种模棱两可的存在可能是因为没有人令人满意地解释由此产生的负载调节特性降低，因此，下垂阻力仍然带有性能不佳的标志。在正确的电压定位和设计人员习惯性地收紧负载调节之间通常存在任意且控制不佳的折衷。

该技术的另一个基本但有问题的特征与理想模型不同。考虑从静态条件开始的空载到满载瞬态。初始瞬态电流首先从输出电容器流出，输出电压相应下降。起初，电源仍然没有显着增加其电流，因此它没有看到下垂电阻上的电压降，因此响应将输出电压校正回零负载调节水平。这种情况会在输出滤波器中产生电流的线性上升。由于大多数转换器的铝电解电容器上存在阻抗的 ESR，因此在负载瞬态导致下降后，电流的这种上升会立即产生输出电压的线性上升。

这种情况不会无限期地持续下去。电感器电流最终会达到它处理一半负载电流的点，而另一半电流仍从输出电容器流出。此时，输出电压在电压开始的位置和初始下降后的位置之间的大致中点进行调节。但是电压不能在那里稳定下来，因为电容器仍在提供电流。然后电压以指数衰减和等于输出电容器电容与 ESR 和下降电阻之和的时间常数稳定回到初始下降水平。

到目前为止，我们可以轻松地将电压控制在类似于理想模型的限制范围内，但电源的输出阻抗不是电阻性的。输出电压在瞬态后稳定之前反弹。当负载瞬态重复率在电源电压的回弹响应时间内发生初始瞬态的反转时，就会出现问题。对于典型的微处理器电源设计，这个时间是 10 到 20 微秒，正好在微处理器可以逆转其电流需求的时间内。如果发生这种情况，输出电压会产生与电源稳定时相同幅度的瞬变，并且此瞬变会使输出电压超出我们想要施加的限制。效果是双向的。因此，当负载瞬态之间的重复时间与电源的响应时间在同一范围内时，我们将失去用于瞬态抑制的无源电压定位的好处。

一条重要的线索告诉我们通过考虑电源输出电压反弹的趋势来做什么。当电源对瞬态过度响应时，就会出现这种反弹特性。我们需要对此响应进行良好控制的减速，以实现纯电阻输出阻抗所产生的“即时稳定”特性。同样，我们无需设计电源的开关频率即可将开关推至其可以承受的开关损耗极限。

如果我们沿着科学路线前进，我们将分析电源以确定如何补偿它。我们会发现，要创建具有所需性能的电源开关，我们必须有一个足够精确的电流感应元件来定位电压。我们还需要一个具有负载电流信息的控制回路来控制理想响应。最后，我们需要一种标准的峰值电流控制技术，该技术具有简单的单极点补偿，等于输出电容及其 ESR 的零值，以及有限的直流增益。

利用环路中的电流信息，我们可以使用有源而不是无源电压定位，将输出电压调节为负载电流信息的函数，环路可以根据需要放大这些信息以产生所需的电压降。使用 Analog Devices ADP3152 电源控制 IC，我们可以测试这种最佳有源电压定位 (OAVP) 技术的结果。该实验的结果证实了IC已经达到了理想的模型特性。电感随负载的变化在廉价的铁粉环形磁芯中很常见，并且会改变纹波电压，但不会降低最佳瞬态性能。

电压定位的一个意想不到的额外好处是最大负载耗散更低。电源达到其最小电压，而不是仅在最大负载下调节到标称电压。在微处理器等数字负载中，电流与其电源电压成比例减小。这个动作导致负载耗散减少了电压的平方。对于允许的电源变化为 5% 或更多的负载，这种减少反过来又可以显着减少散发的热量。或者，这种方法可以让我们在固定热设计中提高热限制负载的性能。与标准电源设计相比，即使电阻器的额外功耗也使总功耗更小。

OAVP 电源的成功实施和对其性能的可靠预测不需要控制器硬件有什么特别之处，但确实需要我们遵循独特的设计和分析程序。

随着更快和更奇特的电源响应控制架构的魅力，我们可能不会想到快速瞬态抑制性能领导者是一种朴实无华但不一定快速、易于补偿的电源，似乎受到负载调节不良的影响. 但是我们可以获得所有这些功能以及更多功能，包括更低的最大负载耗散，从而提高系统可靠性，并且是在微处理器等功率受限应用中提高系统性能的关键。