如何加强数字化降压式交换电源供应器负载瞬时反应

随着科技的进步，电源管理扮演着各类电子产品中非常重要的角色，其中一般家用计算机以及可携式计算机对于CPU的电源管理尤其谨慎，即使是在奈秒时间(ns)内负载电流发生几十安培(Ampere)级的变化，输出电压仍然要保持稳定。而CPU电源管理系统使用的就是目前很受欢迎的降压式交换电源供应器，此篇文章就是要探讨如何加强数字化降压式交换电源供应器的负载瞬时反应(Load Transient Response)。

一般稳压器如图一所示，输入电源(Input Power, V_IN)并透过负回授(V_FB)系统转换所要的输出电压(Output Power, V_OUT)，满足使用者于所需的满载(I_Load)输出且保有稳压的功能，当负载电流以阶梯式(step)的改变，且超出稳压系统的响应速度，则输出电压将有所改变，称为稳压系统之负载瞬时反应。

图一：一般稳压电源供应系统示意图

首先我们得了解负载瞬时反应发生时输出电压会如何变化，本文将以输出电流从轻载到重载举例。如上述之图一所示，讨论瞬时反应时输出电容(C_OUT)必须将其等效串联电阻(ESR)以及等效串联电感(ESL)加以考虑；输出电压变化如图二所示，当输出电流以阶梯式的从轻载(I_Load1)到重载(I_Load2)，电流瞬间变化时除了电容放电供给输出，等效串联电阻会造成压降(Dropout Voltage)以及等效串联电感造成压降突波(spike)，接着负回授系统开始反应并对输出电容充电，最后系统则逐渐稳压，而如何实时地对输出电容充电避免过多压降并且迅速稳压则成为电源供应系统的重大课题。

图二：轻载到重载之负载瞬时反应以及输出电压变化

接着，我们简单介绍数字化降压式交换电源供应器Buck Converter的基本模型，如图三数字电路控制模型，有别于传统模拟电源供应器控制回路利用误差放大器(Error Amplifier)做补偿器(Compensator)调节脉波宽度(Pulse Width Modulation,PWM)，数字化电路使用ADC及PID控制，在固定操作频率(Switching Frequency)下满足：

输出电压方程式：

其中：

使用数字化电源供应器的原因，除了利用多次储存内存(MTP)技术与可程序化之PID控制模型，使其PID控制程序拥有多次可调整特性得以最佳化系统稳定性，还可舍去多余的补偿电路因而简化外部应用电路。

图三：Buck Converter之数字控制电路

了解负载瞬时反应以及数字化降压式电源供应器之后，接着我们来看极端的阶梯式轻重载瞬时反应在各种不同降压式交换电源供应控制模型输出电压的变化。首先看图四(a)传统的模拟式电压控制模型(Voltage Mode)，在图四(b) t1与t2之间输出电流瞬间变大，由于此交换式电源供应器操作于固定频率，此时为电感自放电对输出电容充电，能量并不够输出电流使用，因此电容放电提供输出能量造成电压降，直到下个操作频率t2才由控制回路增加Ton时间提供足够能量给输出电容，之后系统则逐渐稳压。基于此现象，我们希望系统瞬间对输出电容充电得以提供足够能量，由于负载瞬时反应中等效串联电阻及等效串联电感会瞬间造成输出的电压降，因此，有人提出新的模拟式固定时间控制模型(Constant On Time, COT)改善负载瞬时反应，其电路架构如图五(a)将电压回授(V_FB)讯号改用比较器(Comparator)与内部参考电压(V_REF)比较，当电流瞬间变化如图五(b)，造成输出电压降，脉冲宽度产生器(PWM Generator)立即反应产生一固定时间脉冲宽度，直到电压回授讯号无压降，系统快速稳压，此架构无固定操作频率，其固定脉冲宽度会自动满足上述方程式(1)，但缺点则是在选择输出电容时必须满足：

输出电容等效串联电阻公式：

最后，我们将上述概念加入数字化电源供应器，如图六(a)数字化负载瞬时反应技术控制电路，我们使用数字化缓存器于控制系统中加入迟滞电压(ΔV_HYS)，透过ADC监控负回授电压与内部参考电压比较，如图六(b)所示，当输出电压降大于设定之迟滞电压，系统立即于ts处调节脉波宽度瞬间对电容充电以减小电压降，直到输出能量足够后，再重新激活PID控制回路达到稳压效果，相当于使用比较器，但数字化的好处是可利用缓存器设定迟滞电压，拥有更好的可调整性。

图四：(a)模拟电压控制模型(Voltage Mode) (b) Voltage Mode轻载到重载瞬时反应

图五：(a) 模拟固定时间控制模型(COT) (b) COT轻载到重载瞬时反应

图六：(a) 数字瞬时反应技术控制模型(b) 数字瞬时反应技术轻载到重载瞬时反应

最后，总结数字化电源供应器负载瞬时反应技术的优点：

(1) 经由相同的负回授讯号针对输出电压变化立即反应

(2) 数字化缓存器使迟滞电压具有可程控的特性