增強DC/DC變換器動態響應的新方法

現代MPU和DSP中使用的節能技術會使負載電流在工作時有大幅度的變動，負載電流
階躍的轉換速率和振幅可能非常高。例如，Intel Pentium4電流階躍的轉換速率可能高達350A/ms。但是，電源線路中允許的最大電壓降落或過沖不得超過100~120mV!因此，電源設計工程師經常面臨的一 個難題是如何在當負載電流高速瞬變時能提供快速的動態響應。

圖1  DRC的方框圖

圖2  負載瞬變期間的DC/DC和DRC電流

標準解決方案
為提高DC/DC變換器和穩壓器的負載動態響應，許多設計工程師選擇使用大容量輸出電容器。大容量電容器通常必須具有非常低的ESR(等效串聯電阻)值。這代表著必須以并聯方式連接眾多電容器。此解決方案的成本較高，并且需要占用大量的板空間。 
提高DC/DC變換器動態響應的另一種方法是降低變換器的輸出濾波電感。此解決方案的缺點是效率較低，因為它需要較高的開關頻率。
一些設計工程師使用帶輔助快速線性穩壓器的DC/ DC變換器。此解決方案必須使用較高的供電電壓對線性穩壓器供電，因此轉換效率較低。
另外的方法是并連一個或多個DC/DC變換器來改善動態響應。此解決方案必須同步于不同的變換器(包括開關頻率和相位)，因此電路比較復雜。

全新的解決方案
本文建議的動態負載瞬變響應電路(DRC)可以與任何DC/DC變換器配合使用。此解決方案可以減少對大容量電容器的要求，或無需使用此類電容器。與其它解決方案相比，成本更低，并且占用的板面積更小。它不會對效率有較大的影響。這一新穎的設計基于能對輸出電壓變化作出快速反應的大功率誤差放大器，以及用于能量存儲的“懸浮”電容器。圖1所示為DRC的方框圖。
當輸出電壓因電流快速階躍而突然下降時，電容器中存儲的能量將直接提供給負載。儲能電容器相對較小，但所充的電壓高于標稱輸出值。對儲能電容器的ESR參數沒有像在使用大容量輸出電容器情況下那樣要求嚴格。
(1)式可用于估計對儲能電容器進行充電所需的電壓。假定電容值大到足以存儲所需的能量。
Ua = Un + DI