Аннотация
В этой статье рассматривается использование динамического масштабирования напряжения (dynamic voltage scaling, DVS) для повышения точности его стабилизации. DVS – это процесс, который регулирует выходное напряжение, немного повышая или понижая его в ожидании переходных процессов в нагрузке. В статье рассматривается, как конкретные микросхемы могут использоваться для надежного контроля напряжения.
Введение
Если требуется точно стабилизированное напряжение питания, при поиске подходящей микросхемы можно опираться на параметры точности по постоянному току, указанные в техническом описании импульсного регулятора. Обычно это значение составляет ±1% или ±0.5%. Если в цепи обратной связи преобразователя напряжения используется внешний резистивный делитель напряжения, то отклонения номиналов резисторов также должны быть включены в расчет точности напряжения. Кроме того, помимо точности по постоянному току, необходимо учитывать динамическую точность напряжения. При переходном процессе в нагрузке, то есть, если ток, потребляемый нагрузкой, внезапно увеличился, выходное напряжение может упасть ниже или подняться выше установленного значения, прежде чем стабилизируется на заданном уровне. Поведение схемы в таком переходном режиме зависит от быстродействия контура регулирования. Для приложений с повышенными требованиями к стабилизации напряжения питания обычно также требуется поддержание точного напряжения и во время таких переходных процессов в нагрузке. На Рисунке 1 показана типичная реакция напряжения во временной области после скачка тока. Здесь нагрузка подключалась через 100 мкс и отключалась через 400 мкс.
 |
|
| Рисунок 1. | Типичная реакция источника питания на скачок нагрузки. |
Преимущества DVS
DVS дает ряд преимуществ, которые обеспечивают повышенную точность стабилизации напряжения. Его можно использовать для компенсации последствий переходных процессов в нагрузке и улучшения качества регулирования.
Флуктуации напряжения после переходного процесса в нагрузке, как показано на Рисунке 1, обычно во много раз превышают пределы ошибки напряжения питания по постоянному току. Пунктирные линии на Рисунке 1 показывают границы для точности в 1%.
Чтобы не дать возможности этим, иногда очень большим выбросам выйти за пределы заданного диапазона точности, имеет смысл использовать DVS. Здесь предполагается, что при низкой нагрузке будет происходить переход к большой нагрузке. Поэтому выходное напряжение немного увеличивается (например, до 5.2 В) до того, как в нагрузке произойдет переходный процесс. Это не меняет амплитуды провала напряжения. Однако в этом случае напряжение падает не с 5 В до 4.75 В, а с 5.2 В до 4.95 В. При высоком токе нагрузки напряжение немного снижается, поскольку обычно ожидается, что в какой-то момент нагрузка снова уменьшится. В этом случае выброс напряжения будет не таким большим.
На Рисунке 2 показана схема понижающего импульсного регулятора, в котором реализована простая форма DVS. Чтобы указать, следует ли немного повысить выходное напряжение, на вывод VSEL подается сигнал, например, от микроконтроллера. При простой реализации DVS сформировать эту команду и передать ее импульсному регулятору должна система. В других импульсных регуляторах реализуются более сложные системы DVS. В них можно напрямую программировать индивидуальные пороговые значения тока нагрузки для переключения DVS.
 |
|
| Рисунок 2. | Понижающий регулятор с простым DVS, сигнал которого подается на вывод VSEL. |
В некоторых случаях в приложении, требующем повышенной точности стабилизации напряжения, может понадобиться использования микросхемы мониторинга, проверяющей, действительно ли выходное напряжение находится в пределах допустимого диапазона. При отсутствии переходных процессов в нагрузке для проверки постоянного напряжения, которое обычно находится в гораздо более узком диапазоне, достаточно простой микросхемы супервизора. Однако это не работает с системами DVS, поскольку постоянное напряжение в соответствии с концепцией DVS имеет два разных значения: несколько большее и несколько меньшее.
Для надежного контроля напряжения с системами DVS также могут использоваться специальные микросхемы мониторинга, такие как монитор системы питания MAX20480. Микросхема MAX20480 имеет цифровой интерфейс I2C и, как и импульсный стабилизатор на Рисунке 2, ее можно динамически переключать через вывод VSEL для слежения за постоянным напряжением при использовании систем DVS. На Рисунке 3 показана блок-схема импульсного стабилизатора c DVS, показанного на Рисунке 2, с добавленной микросхемой контроля напряжения.
 |
|
| Рисунок 3. | Мониторинг с помощью контроллера-супервизора с поддержкой DVS для особо важных приложений. |
Заключение
Существуют интересные решения для получения напряжений питания с высокой статической и динамической точностью. Для их реализации может быть особенно полезно DVS. Для контроля выходных напряжений выпускается ряд специальных микросхем с поддержкой DVS, включая микросхему монитора системы питания MAX20480. Такие микросхемы улучшают характеристики и снижают затраты, связанные с системами преобразования энергии.
