一种快速瞬态响应微型电源模块

技术领域

本发明涉及电源领域，更具体的说，它涉及一种快速瞬态响应微型电源模块。

背景技术

随着CPU,FPGA等微处理器的快速发展，其性能得到了迅速提升，对为此类微处理器供能的微型电源模块也提出了更高的性能要求。微型电源模块的闭环控制系统是重要研究方向之一，控制系统影响电源模块输出稳态特性及负载跳变时的瞬态响应速度，通过改进控制系统以改善瞬态响应，减小输出纹波。

目前微型电源模块常采用降压拓扑将母线电压转换为负载所需要的输入电压。系统控制方式常采用脉冲宽度调制(PWM)控制、固定导通时间控制(COT)等类型。

PWM控制为定频控制，通过逐周期调节导通时间以调节输出。常通过误差运算放大器或跨导运算放大器稳定输出，且均需要补偿网络提升系统稳定性，增加了系统设计难度和复杂度。COT控制方式能有效避免PWM控制模式的缺陷，其通过直接将反馈电压与参考值比较，当反馈值低于参考值后上管导通，并通过计时电路导通固定时长后关断，直至反馈值再次低于参考值，因此COT控制是一种基于输出电压纹波谷底导通的控制方式。此种控制方式对于输出电压纹波幅值有较高要求，需要较大输出电压纹波以增强系统稳定性，但对于通常供电电压仅为1V的微处理器供电应用，无法容忍较大输出纹波，且由于COT控制方式下导通时间恒定，受限于系统所设定的最小关断时间，故在剧烈负载跳变情况下瞬态响应较差。因此，急需一种能避免PWM控制模式问题的同时解决COT纹波较大的缺陷，改善瞬态响应的电源模块。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供能避免PWM控制模式问题的同时解决COT纹波较大的缺陷的一种快速瞬态响应微型电源模块。

本发明的技术方案如下：

一种快速瞬态响应微型电源模块，包括输出采样电路、瞬态检测电路和固定导通时间生成电路；

输出采样电路采集输出电压，并通过高带宽运放消除了稳态输出电压与基准值的误差，采样电感电流纹波替代输出电压纹波进行控制，使输出电容选取小ESR陶瓷电容，改善输出纹波；

瞬态检测电路用于检测负载迅速增加情况，并通过强制导通主功率管改善瞬态响应速度；

固定导通时间生成电路接受控制信号生成驱动器电路所需的控制信号。

进一步的，输出采样电路包括电阻、电感、电容、运算放大器和比较器；电感L的一端与电阻R

电容C

电阻R

进一步的，瞬态检测电路包括电阻、运算放大器和比较器；

电阻R

电阻R

本发明的优点在于：

本方案通过将输出电压反馈值和参考值使用运算放大器进行误差放大，消除由于纹波电压谷底导通带来的稳态误差；将采样电感电流纹波替代输出电压纹波，从而摆脱对于大ESR输出电容的依赖；通过一个比较器检测剧烈负载跳变发生瞬间，并强迫主功率管持续导通，实现近似单周期响应，提升瞬态响应速度。

附图说明

图1为本发明的总体电路架构图；

图2为本发明的瞬态响应关键波形图；

图3为本发明的输出采样电路图；

图4为本发明的固定导通时间生成电路图；

图5为本发明的瞬态检测电路图；

图6为本发明的稳态输出电压仿真波形图；

图7为本发明的负载跳变瞬态仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本方案中未做详细说明的部分均可采用常规技术手段进行实现。

如图1至图7所示，一种快速瞬态响应微型电源模块，包括输出采样电路、瞬态检测电路和固定导通时间生成电路；

输出采样电路采集输出电压，并通过高带宽运放消除了稳态输出电压与基准值的误差，采样电感电流纹波替代输出电压纹波进行控制，使输出电容选取小ESR陶瓷电容，改善输出纹波；

瞬态检测电路用于检测负载迅速增加情况，并通过强制导通主功率管改善瞬态响应速度；

固定导通时间生成电路接受控制信号生成驱动器电路所需的控制信号。

本方案可应用于如BUCK、正激、半桥等变换器的控制系统中，如图1以单管正激拓扑为例。如图2所示，为本方案所提出的改善瞬态响应的关键波形，其中V

在变换器输入端设有输入电压采样电路，用以检测输入电压，并作为固定导通时间生成电路的输入信号，使得在输入电压改变时，稳态下系统开关频率近似保持不变。在电感两端设有电流采样电路，用以采样电感电流纹波信息并转换为电压信号，作为瞬态检测电路和固定导通时间生成电路的输入信号；输出电压通过分压网络采样后与参考电压经高带宽运放调节输出电压，并同样作为固定导通时间生成电路和瞬态检测电路的输入信号；瞬态检测电路通过比较电流纹波信息和输出电压信息，当负载剧烈增加情况发生时，有V

具体的如图3所示，输出采样电路包括电阻、电感、电容、运算放大器和比较器；电感L的一端与电阻R

电容C

电阻R

输出采样电路包含电感电流及输出电压采样两部分：电感电流采样需满足

R

其中R

如图4所示，虚线框内为固定导通时间生成电路。输入电压采样将输入电压通过电阻R

开关S

如图5所示，瞬态检测电路包括电阻、运算放大器和比较器；

电阻R

电阻R

结合图2，在t

在t

t

t

t

使用SIMPLIS软件搭建电路进行仿真，仿真以单管正激拓扑为例，输入电压为48V，采用匝比12：1的变压器，副边电感200nH，输出电容选择ESR为5mΩ的6颗100uF电容并联。仿真结果如图6为5A负载下稳态输出电压波形。稳态输出电压平均值994mV，根据参考值与分压网络所设输出值为995mV；输出电压纹波仅2.66mV；负载由5A跳变至40A，变化速率为5A/us，瞬态波形如图7，最大下冲电压47mV。

综上，本方案可以摆脱传统COT控制方式对于大ESR输出电容的依赖，且几乎无稳态误差。对比COT控制方式，在其他条件相同情况下，本方案的瞬态响应检测及控制可将负载跳变下冲幅度减小70％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。