【導讀】電源完整性(PI)和電源分配網絡(PDN)設計如今是所有高速、高性能和低噪聲電子電路設計的中心要素。取得最優性能的第一條規則是保持電源分配路徑的阻抗幅度小于某個特定值，這個值通常被稱為目標阻抗。第二條規則是保持電源分配阻抗在頻域盡可能平坦。半導體公司正在試圖引入采用非線性控制、多個環路和滯后工作的新穩壓器架構來達到這個目的。一個令人感興趣的拓撲是Cognipower公司自主開發并已獲得專利的預測性能量平衡(PEB)控制器。
什么是PEB？
PEB控制算法從供需角度控制電壓轉換器的性能。就像在大多數開關轉換器中一樣，能量存儲在電感中，然后傳送到輸出端，并由輸出端的電容進行平均。存儲在電感中的能量為：
存儲在電容中的能量為：
PEB控制器根據需求建立要求的供電，并在每個開關周期中使這些等式相等。結果是一種“內存較少”的控制，每個周期都是“從零開始”，因此在單個開關周期內可形成完整的動態響應恢復。輸出既沒有上沖，也沒有下沖。控制器本身就很穩定，因為在控制功能中不需要增加補償極點。PEB控制計算框圖示于圖1。
圖1 PEB控制算法框圖
PEB控制可適應多種開關拓撲，包括降壓拓撲和反激拓撲，并且可工作在非連續模式和連續模式。
為什么PEB符合PDN應用要求
在PEB控制下的轉換器輸出阻抗函數基本上是一個與頻率無關的電阻，這與PDN應用的目標是一致的。這個固定電阻是電感與電容之比的函數。單周期響應可獲得最快可能的恢復時間，這也非常符合PDN應用要求。圖2和圖3顯示了平坦的阻抗曲線，采用的是低功耗、非連續模式的PEB演示板(這個測量結果由Cognipower公司提供，不是為任何特定應用設計的)。
圖2：上軌跡(粉紅)是輸出電壓響應，中間軌跡(黃色)是負載電流，下軌跡(綠色)是電感電流。注意，高頻沒有被濾除，為的是提供不變的控制器響應。
圖3：針對300mΩ輸出阻抗調節后的演示板負載階躍響應。注意，沒有上沖或下沖。為了去除紋波得到純凈的波形，對輸出電壓進行了平均處理。
通過修改演示板的電感和電容值，設定好300mΩ的目標阻抗，然后將演示板放進探測夾具。
根據18mV電壓偏移和58mA電流階躍計算出來的被測轉換器阻抗約為320mΩ。通過平均這個測量結果去除輸出紋波電壓后就可以得到純凈的波形。注意，電壓響應中一點都沒有上沖或下沖現象，見圖3。
雖然這個例子提供了代表低功耗應用的300mΩ輸出阻抗，但PEB控制可以針對任何功耗電平進行調整。運算要求也很低，可以采用數字或模擬電路實現。想必控制器能夠集成進單片芯片中。
PEB控制器是獨立于硬件的，允許控制硅MOSFET功率級電路，或用于更高頻率工作和具有最佳效率的氮化鎵功率級電路。PEB控制器還可以用作支持動態電壓編程的放大器，同樣不會有上沖或下沖。當為PDN應用考慮許多新的開關拓撲時，PEB控制可以提供諸多有用的好處。希望未來能夠進一步拓展這個拓撲。
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