引言

主動電壓定位(AVP)或主動下垂技術能夠調節(jié)電源輸出：輕載時維持較高輸出電壓，重載時維持較低輸出電壓。實現AVP控制技術的一大好處是可以改善負載瞬態(tài)響應并降低輸出電容，因為AVP為電源響應負載瞬變提供了更多空間。μModule穩(wěn)壓器是完整、經過測試且合格的封裝電源解決方案。對于電信和數據中心應用，μModule穩(wěn)壓器憑借快速負載瞬態(tài)響應、極小的電路板占用空間及全陶瓷電容式解決方案而備受青睞。然而，使用傳統(tǒng)非AVP控制技術很難滿足所有要求。

本文介紹了一種精準串聯(lián)AVP實現方法，在反饋控制環(huán)路中添加兩個電阻。這種串聯(lián)AVP方法的優(yōu)勢在于，負載線精度幾乎與gm放大器增益變化無關；而對于分流AVP1等其他AVP實現方法，如果gm放大器增益的變化較大，負載線精度將降低。實現這種串聯(lián)AVP后，輸出電容可減少多達50%，同時峰峰輸出電壓瞬態(tài)也略有改善。由于電容減少50%，因此僅需要陶瓷電容，由此可以大幅提高系統(tǒng)可靠性并優(yōu)化成本，因為鋁電解電容的可靠性遠低于陶瓷電容，而且成本更高。

實現AVP控制技術的另一個好處在于，當負載電流較大時，可以降低輸出電壓，從而降低負載功耗。LTM4650-2示例顯示，凈功耗節(jié)省為1.4 W或5.6%，大大節(jié)省了功耗并延長了電池續(xù)航時間。

串聯(lián)AVP實現

AVP是指穩(wěn)壓器的輸出電壓根據負載電流的變化而動態(tài)調整的一種方式，而如果采用傳統(tǒng)方法（非AVP），輸出電壓在所有負載下始終固定在標稱值V_OUT，如圖1所示。如果采用AVP方法，當輸出電流增加時，輸出電壓逐漸降低。在輕載條件下，輸出電壓設為調節(jié)至略高于標稱值，而在重載條件下，輸出電壓設為調節(jié)至略低于標稱值。¹ 當負載電流突然增加時，輸出電壓從高于標稱值的電平開始，因此輸出電壓可以下降更多幅度并保持在額定電壓范圍內。當負載電流突然減小時，輸出電壓從低于標稱值的電平開始，因此輸出電壓可以有更多的過沖并保持在額定電壓范圍內。對于所有負載電流范圍，輸出電壓應限制在額定電壓限值內（V_MAX和V_MIN之間）。

圖1 采用AVP的V_OUT與采用傳統(tǒng)方法（非AVP）的固定標稱值V_OUT

圖2顯示AVP串聯(lián)補償電路。內部基準電壓(V_REF)和V_OUT反饋分別連接到誤差放大器的正輸入和負輸入。與R_HI連接的V_HI（或INTV_CC）向放大器輸出（ITH或COMP）提供適當的直流電壓，以防止輸出進入飽和狀態(tài)。R_LO（反饋電阻）位于輸出(ITH)和負輸入（或FB）之間。因此，R_LO決定了gm放大器增益。R_HI和R_LO值應遠高于R₁和R₂。

負載線公式1：

K_i是電流檢測增益，R_SENSE是電流檢測電阻值（或DCR檢測的電感DCR值）。

與AVP分流補償電路1相比，串聯(lián)補償電路的優(yōu)勢在于負載線取決于R₁/R_LO增益，幾乎與誤差放大器跨導(gm)的容差無關。IC工藝和設計多種多樣。遺憾的是，一些IC的gm值在器件間的差異高達±30%，而且分流補償電路AVP的負載線與1/gm增益成正比。因此，分流AVP的負載線較差。

圖2 AVP串聯(lián)補償電路

LTM4650-2穩(wěn)壓器上的AVP解決方案

在LTM4650-2（電流模式同步降壓穩(wěn)壓器）上，標稱1 V輸出能夠提供25 A負載，瞬態(tài)窗口約為±8%(160 mV pp)。在這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓器（非AVP）上，需要外部RC濾波電路來實現快速II型控制環(huán)路補償。輸出端有一組5個100 μF陶瓷電容和2個470 μF POSCAP。當負載階躍為19 A（滿載的75%）且擺率為19 A/μs時，瞬態(tài)響應為136 mV pp，如圖3所示。

圖3 非AVP電路的負載瞬態(tài)波形，輸出電壓瞬態(tài)為136 mV pp，C_OUT1=5×100 μF陶瓷電容，C_OUT2=2×470μF POSCAP電容

如圖4所示，實現AVP時，在COMP上應用了AVP補償電路，但不需要RC補償。在半載(12.5 A)條件下，通過微調R₂，特意將輸出電壓設為標稱值(1 V)。對于負載瞬態(tài)響應，獲得了95 mV pp的V_OUT，如圖5所示。瞬態(tài)性能已得到改善。當輸出電壓設為1 V且電流為25 A（滿載）時，負載功率為25 W。通過將輸出電壓降低至0.945 V（25 A負載時），負載功率現在為23.6 W，單個輸出的功耗節(jié)省現在為1.4 W。對于兩個輸出，凈功耗節(jié)省總計為2.8 W。

圖4 采用AVP的電路（串聯(lián)補償電路）

圖5 采用AVP的電路（圖4）的負載瞬態(tài)波形，輸出電壓瞬態(tài)為95 mV pp。C_OUT1 = 5× 100 μF陶瓷電容，C_OUT2 = 2× 470 μF POSCAP電容

采用AVP實現方案時，兩個POSCAP可替換為兩個陶瓷電容，因此C_OUT1上共使用7個100 μF陶瓷電容。使用陶瓷電容的優(yōu)勢是等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)更低、成本更低、尺寸更小、性能更可靠。瞬態(tài)性能已改善，測量結果是V_OUT為104 mV pp，如圖6所示。

圖6 采用AVP的電路的負載瞬態(tài)波形，輸出電壓瞬態(tài)為104 mV pp。C_OUT1=7×100μF陶瓷電容

表1顯示了上述測量的非AVP（基準）、AVP和僅使用輸出陶瓷電容的AVP的負載瞬態(tài)響應V p-p，以供比較。

表1 非AVP、AVP和僅使用輸出陶瓷電容的AVP之間的負載瞬態(tài)響應V p-p比較

結論

在LTM4650-2 μModule穩(wěn)壓器上實現AVP串聯(lián)補償電路不僅提高了瞬態(tài)響應性能，還降低了高負載條件下的負載功耗。輸出電容需要小于50%。因此，可以用陶瓷電容代替POSCAP，從而降低成本并最大限度減少占用的電路板空間。這種AVP電路也適用于許多其他具有外部補償引腳和外部RC補償網絡的μModule穩(wěn)壓器（例如LTM4630-1、LTM4626、LTM4636、LTM8055-1等）。

參考文獻

1 Robert Sheehan，“主動電壓定位可減少輸出電容”，凌力爾特，1999年。

作者簡介

自2022年5月加入ADI公司以來，Sin Keng Lee一直擔任ADI公司的電源模塊設計工程師。他擁有英國諾森比亞大學天線、射頻和微波通信工程學士學位與博士學位。

Zhijun (George) Qian是ADI公司電源模塊高級設計經理，負責所有LTM80xx產品和部分LTM46xx/LTM47xx產品。他擁有浙江大學電力電子學士學位和碩士學位，以及美國中佛羅里達大學電力電子博士學位。他于2010年初加入ADI公司。