[发明专利]动态负载快速响应电路

说明书

本专利涉及Buck类DC/DC转换器实现快速动态负载响应的一种电路，能快速响应负载电流变化、减小输出电压偏差幅度，从而降低外部电容总需求容量。由电流采样、信号处理和信号注入电路构成。电流采样电路用采样电阻或与输出电感并联的电阻电容串联电路构成，对于后一种方案，电容另一端连接到输出电压端。电容两端电压信号与负载电流成正比，信号处理电路对此电压信号中直流分量进行放大、交流分量进行抑制，其输出通过信号注入电路以交流耦合方式注入到PWM控制器的负反馈输入端，迫其快速调整输出占空比，达到响应快和偏离幅度小的目标、而又不影响系统稳态工作的稳定性。此电路同样适用多相Buck、正激、半桥和全桥等转换器。

技术领域

本专利涉及BUCK类DC/DC转换器实现快速动态负载响应的一种电路，该电路快速响应负载电流变化、减小输出电压的偏差幅度，同时能够降低外部储能电容的总需求容量。

背景技术

BUCK类DC/DC转换器的拓扑结构通常分为非隔离BUCK、正激、半桥和全桥等类型，被广泛应用于各种系统中。不论哪一种类型，BUCK类DC/DC转换器拓扑结构的都包含输出滤波电路和脉宽调制器(PWM-Pulse Width Modulator)控制环路，输出滤波电路由电感和电容构成。通常在负载电流快速变化时，由于输出滤波电感和控制环路的滞后效应，使得输出电压产生很大偏离幅度、并且需要较长时间才能恢复到初始设定值。为了解决这个问题，传统方案是将很多个滤波电容并联使用，这种方法虽然能够有效地控制输出电压的偏离幅度，但是反应速度很慢，而且由于使用了大量的滤波电容，导致体积增大，成本增加。因此，如何使得输出电压能够快速响应负载电流的变化，并且有效的控制输出电压的偏离幅度，成为重要的课题。

本发明电路，在有效地控制体积和成本的前提下很好地解决了这一课题。

图1为非隔离电压控制型Buck转换器原理框图，采用Type3型补偿电路。输出滤波电感Lo(104)等效为理想电感与直流内阻(DCR)构成的串联电路，输出电容Co(105)等效为理想电容和等效串联电阻(ESR)构成的串联电路，ESR大小与电容的材料特性密切相关。由于输出为L/C二阶滤波器，导致电压控制型Buck转换器整体响应速度比较慢；而输出电压采样电路提供给PWM控制环路的是输出电压经过分压网络之后的信号，实际变化幅度已被相应线性衰减，导致控制环路不可能对所需调整进行预先强化。补偿电路构成多个零极点组合用于补偿Lo/Co构成的二阶极点和输出电容与其串联等效电阻构成的零点，通过仔细设计各个参数确保电路有合理的相位裕度和增益裕度，以维持整个变换器的稳定工作。针对特定的负载快速变化要求和输出电容组合的应用，通过选择与Rf1(106)并联的Rs(111)/Cs(112)参数优化Rs/Cs/Rf1零极点组合，可以加快响应速度、降低输出电压偏离幅度。但是当输入/输出电压、电容容量及其材料类型改变之后必须重新调整Rs/Cs甚至Rp(106)/Ci(109)/Cd(110)参数，以确保电路有足够的相位裕度和增益裕度，从而满足电路稳定工作条件。

为改善Rs/Cs参数的选择会受外部输出电容容量及其材料类型的约束，在图1的基础上加上输出电压变化量采样电路形成图2的方案。通过Rco(202)/Cco(203)采样到输出电压变化量，在将其缓冲(201)后再通过电容Rcf(204)/Ccf(205)将变化量耦合到输出电压采样电路的分压点。由于稳定状态下Rcf/Ccf不会参与到电路的控制环节，所以当输出电压、电容容量及其材料类型改变之后，调整Rco/Cco不会影响到电路的控制环节。这种方案能够有效地加快响应速度、降低输出电压偏差幅度，但是针对不同的出电压、不同的输出电容容量/材料类型组合条件仍需对Rco/Cco进行优化；由于采样的是输出电压变化信号而不是直接的负载电流变化信号，响应速度仍然有待改进。

发明内容