精准的主动电压定位控制技术让μModule稳压器的输出电容降低多达50%

摘要

本文介绍一种应用于μModule®稳压器的精准串联主动电压定位(AVP)实现方法。借助该方法，可获得快速负载瞬态响应，大幅节省电路板空间，实现全陶瓷电容式解决方案。与分流AVP设计相比，这种串联AVP可提供非常准确的负载线精度，从而大幅提高输出电压精度。文中提供了负载瞬态响应的测量结果。

引言

主动电压定位(AVP)或主动下垂技术能够调节电源输出：轻载时维持较高输出电压，重载时维持较低输出电压。实现AVP控制技术的一大好处是可以改善负载瞬态响应并降低输出电容，因为AVP为电源响应负载瞬变提供了更多空间。μModule稳压器是完整、经过测试且合格的封装电源解决方案。对于电信和数据中心应用，μModule稳压器凭借快速负载瞬态响应、极小的电路板占用空间及全陶瓷电容式解决方案而备受青睐。然而，使用传统非AVP控制技术很难满足所有要求。

本文介绍了一种精准串联AVP实现方法，在反馈控制环路中添加两个电阻。这种串联AVP方法的优势在于，负载线精度几乎与gm放大器增益变化无关；而对于分流AVP1等其他AVP实现方法，如果gm放大器增益的变化较大，负载线精度将降低。实现这种串联AVP后，输出电容可减少多达50%，同时峰峰输出电压瞬态也略有改善。由于电容减少50%，因此仅需要陶瓷电容，由此可以大幅提高系统可靠性并优化成本，因为铝电解电容的可靠性远低于陶瓷电容，而且成本更高。

实现AVP控制技术的另一个好处在于，当负载电流较大时，可以降低输出电压，从而降低负载功耗。LTM4650-2示例显示，净功耗节省为1.4 W或5.6%，大大节省了功耗并延长了电池续航时间。

串联AVP实现

AVP是指稳压器的输出电压根据负载电流的变化而动态调整的一种方式，而如果采用传统方法（非AVP），输出电压在所有负载下始终固定在标称值VOUT，如图1所示。如果采用AVP方法，当输出电流增加时，输出电压逐渐降低。在轻载条件下，输出电压设为调节至略高于标称值，而在重载条件下，输出电压设为调节至略低于标称值。1 当负载电流突然增加时，输出电压从高于标称值的电平开始，因此输出电压可以下降更多幅度并保持在额定电压范围内。当负载电流突然减小时，输出电压从低于标称值的电平开始，因此输出电压可以有更多的过冲并保持在额定电压范围内。对于所有负载电流范围，输出电压应限制在额定电压限值内（VMAX和VMIN之间）。

图1.采用AVP的VOUT与采用传统方法（非AVP）的固定标称值VOUT。

图2显示AVP串联补偿电路。内部基准电压(VREF)和VOUT反馈分别连接到误差放大器的正输入和负输入。与RHI连接的VHI（或INTVCC）向放大器输出（ITH或COMP）提供适当的直流电压，以防止输出进入饱和状态。RLO（反馈电阻）位于输出(ITH)和负输入（或FB）之间。因此，RLO决定了gm放大器增益。RHI和RLO值应远高于R1和R2。

负载线公式1：

Ki是电流检测增益，RSENSE是电流检测电阻值（或DCR检测的电感DCR值）。

与AVP分流补偿电路1相比，串联补偿电路的优势在于负载线取决于R1/RLO增益，几乎与误差放大器跨导(gm)的容差无关。IC工艺和设计多种多样。遗憾的是，一些IC的gm值在器件间的差异高达±30%，而且分流补偿电路AVP的负载线与1/gm增益成正比。因此，分流AVP的负载线较差。

图2.AVP串联补偿电路。

LTM4650-2稳压器上的AVP解决方案

在LTM4650-2（电流模式同步降压稳压器）上，标称1 V输出能够提供25 A负载，瞬态窗口约为±8%(160 mV pp)。在这种传统稳压器（非AVP）上，需要外部RC滤波电路来实现快速II型控制环路补偿。输出端有一组5个100 μF陶瓷电容和2个470 μF POSCAP。当负载阶跃为19 A（满载的75%）且摆率为19 A/μs时，瞬态响应为136 mV pp，如图3所示。

图3.非AVP电路的负载瞬态波形，输出电压瞬态为136 mV pp，COUT1 = 5× 100 μF陶瓷电容，COUT2 = 2× 470 μF POSCAP电容。

如图4所示，实现AVP时，在COMP上应用了AVP补偿电路，但不需要RC补偿。在半载(12.5 A)条件下，通过微调R2，特意将输出电压设为标称值(1 V)。对于负载瞬态响应，获得了95 mV pp的VOUT，如图5所示。瞬态性能已得到改善。当输出电压设为1 V且电流为25 A（满载）时，负载功率为25 W。通过将输出电压降低至0.945 V（25 A负载时），负载功率现在为23.6 W，单个输出的功耗节省现在为1.4 W。对于两个输出，净功耗节省总计为2.8 W。

图4.采用AVP的电路（串联补偿电路）。

图5.采用AVP的电路（图4）的负载瞬态波形，输出电压瞬态为95 mV pp。COUT1 = 5× 100 μF陶瓷电容，COUT2 = 2× 470 μF POSCAP电容。

采用AVP实现方案时，两个POSCAP可替换为两个陶瓷电容，因此COUT1上共使用7个100 μF陶瓷电容。使用陶瓷电容的优势是等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)更低、成本更低、尺寸更小、性能更可靠。瞬态性能已改善，测量结果是VOUT为104 mV pp，如图6所示。

图6.采用AVP的电路的负载瞬态波形，输出电压瞬态为104 mV pp。COUT1 = 7× 100 μF陶瓷电容。

表1显示了上述测量的非AVP（基准）、AVP和仅使用输出陶瓷电容的AVP的负载瞬态响应V p-p，以供比较。

表1.非AVP、AVP和仅使用输出陶瓷电容的AVP之间的负载瞬态响应V p-p比较

结论

在LTM4650-2 μModule稳压器上实现AVP串联补偿电路不仅提高了瞬态响应性能，还降低了高负载条件下的负载功耗。输出电容需要小于50%。因此，可以用陶瓷电容代替POSCAP，从而降低成本并最大限度减少占用的电路板空间。这种AVP电路也适用于许多其他具有外部补偿引脚和外部RC补偿网络的μModule稳压器（例如LTM4630-1、LTM4626、LTM4636、LTM8055-1等）。

参考文献

1 Robert Sheehan，“主动电压定位可减少输出电容”，凌力尔特，1999年。