動態電壓因應之道

作者: Frederik Dostal,ADI現場應用工程師

電壓調整器通常用來產生恆定的調節輸出電壓。藉由控制迴路的功能,系統即可從未調整的輸入電壓產生穩定且精準的供電。那麼,動態電壓調整(DVS)又是何種功用?

動態電壓調整意謂電源的輸出電壓可在工作時機動調整,如此的調整可針對不同原因而進行。

提升輕負載狀態下功率因素校正階段轉換效率

反應式電源補償的功率因素校正(PFC)階段會將閘極電壓升高到直流中間電路電壓。在240V系統中,中間電路電壓通常為380V,如圖1所示。ADP1047 PFC控制器能運用DVS,將輸出電壓負載從380V降至360V,如此即可在部分負載運作狀態下提高供電的轉換效率。

圖1 ADP1047 PFC階段中採用下行ADP1046直流對直流轉換器。

微控制器在各種運作階段中的效率

圖2顯示另一個DVS使用範例。這裡所採用的是一款ADP2147 降壓(step-down)切換式穩壓器為數位訊號處理器(DSP)供電。在一些應用中,還可運用微控制器、DSP、或FPGA等元件在處理器處於待機模式時調降核心電壓,藉以提高系統的效率。許多DSP,包括如ADI旗下的ADSP-BF527在調低VDD_INT電壓(核心電壓)時還能提高運行效率——如DSP在低負載模式運作時從1.2V調降至1.0V。處理器的功率消耗主要取決於其時脈頻率,以及工作電壓的平方值。因此ADSP-BF527的供電電壓只要降低25%,動態功率消耗就會降低40%,ADI旗下許多DSP元件的表現也是類似如此。

圖2 支援DVS功能的ADP2147切換式穩壓器用來提高ADSP-BF527的效率。

改進負載瞬態後的恢復速度

如前面兩個例子所示,採用DVS的常見原因是為了提高效率或降低損耗,除此之外還有一些其他應用。在許多系統中,必須用到極精準的調節供電電壓。圖3顯示一個電壓範圍,其中1.2V的核心電壓屬於允許範圍。電壓可以落在1.2V±10%的範圍內。在這個例子中,不僅在靜態負載狀態下須維持電壓,包括負載出現動態變化時也須維持電壓。倘若回饋控制是設定在允許範圍的中段,那麼其中一半的範圍可分給靜態誤差來源,以及負載瞬態之後的動態電壓變化。這裡有一種妙招是略為調高輸出電壓來因應低負載狀態,當有高負載狀態再稍微調降。在高負載狀況中,某些時間點可套用低負載的因應方法,通常是小幅的電壓過衝。如圖3所示,針對高負載狀態稍微調降設定點電壓,即可維持在可允許範圍,圖中左邊的供電是高負載,右邊則是低負載。

圖3 根據負載電流對供電電壓進行動態調整。

相反的狀況也同樣適用。當負載較低時,通常隨後在某個時間點會恢復上升。電壓欠衝可能隨時發生,在低負載狀態下電壓會微幅升高,並維持在允許範圍內,這種功能通常稱為自動電壓定位。

除了上述提及案例中動態調整電壓帶來的好處之外,還有許多進一步的應用。其中的一些例子包括了控制直流馬達、操控制動器、或驅動一個帕爾帖效應(Peltier effect)元件進行溫度調節。動態電壓調整本質上是動態調整供電電壓,在許多應用中,其能發揮助益、甚至是不可或缺的必要功能,尤其是在數位控制電源中,DVS相當常見而且很容易實作。

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