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无补偿电压调节器：数字补偿的继续持续演变
作者：CUI Inc首席应用工程师Bruce Rose
传统电源系统和电压调节器由于采用了含有负反馈的控制回路,因此能够产生稳定的输出电压.然而,如何在反馈网络中适当的使用负反馈以得到正确的频率补偿是一个难题.最早的电压调节器的控制和反馈电路所采用的是模拟电路,随着技术的不断改进,数字电路逐步代替了电压调节器和电源系统中几乎所有模拟电路.
电压调节器的反馈与补偿
采用数字电路也加快了自动补偿算法的发展,从而减轻了电源设计工程师的工作量.与传统拓扑相比,采用自动补偿方式是一个很大的改进,但其要求根据电路确定补偿参数,因此仍然存在一定局限性.数字电压调节器控制器的最新技术是无补偿（compensa t ion-f ree）拓扑,这种方式消除了与确定补偿参数有关的问题,拥有卓越的电压调节能力.
模拟电压调节器设计中需要工程师确定补偿电阻器和电容器的数值,然后将这些元器件焊接到PCB上.选择、放置和改造分立补偿元器件都会增加功率传输设计的延迟与风险.一些供应商通过允许用户选择单个电阻器和单个电容器来补偿调节器的方式,简化了元器件的选型过程.虽然这种方式简化了用户的工作,但是也可能降低电源的负载电流瞬态特性的合格率.模拟电压调节器的设计和生产需要很多精密的手工过程,设计风险和成本压力也随之增加.
采用数字包封技术（digital wrapper）的模拟电压调节器
IC供应商在模拟电压调节器中采用数字包封技术有利于配置、控制和监测电源的部分特性.选择采用模拟电压调节器数字包封技术,能够有效改善传统模拟电压调节器设计难度及延迟问题,但是补偿器件相关的设计风险和成本压力仍然存在.
数字电压调节器结构使用户可以通过软件接口获得完整的电源可配置性、可控制性和监控能力.许多数字电压调节器允许用户设置P ID系数来补偿电压调节器反馈回路,而不采用物理补偿的方式.由于PID系数可通过软件功能输入及更改,从而这些结构消除了焊接（拆焊及重新焊接）分立补偿电阻器和电容器带来的设计风险和时间压力.虽然软件补偿技术减少了与焊接部件有关的延迟及风险问题,但是仍然需要设计工程师具有丰富的补偿理论知识才可构思出最优化设计.
采用自动补偿拓扑结构是数字电压调节器的最新技术之一,用户不必具有补偿技术知识和相关经验就可以进行电源设计.当电源施加到调节器或当软件指令发送到设备需要重新计算补偿时,这些调节器能够自动确定电路的最佳补偿方案（即最佳的Kp、Ki和Kd值）.自动补偿技术改善了需要设计工程师确定拓扑结构补偿值带来的相关的成本、风险和延迟等问题.
一款卓越的数字电压调节器应该是不需要任何额外补偿措施而能够自动补偿的.基于无补偿技术,CUI推出了其数字负载点（POL）模块产品,其中最新款是NDM3Z-90 POL模块.这些模块通过逐个周期的监控和调节输出至负载的电荷,从而确定负载电流瞬态响应.这项技术允许电压调节器不使用反馈回路补偿,就可以在每个开关周期内优化负载瞬态响应.这种无补偿结构性能优异,其负载瞬态响应延迟时间很短.
在传统的较慢信号路径之外,我们通过在补偿器中应用更快的信号路径从而缩短延迟时间.逐个周期的电荷输出架构还具有非线性瞬态响应特点,使得POL模块与采用传统的反馈回路补偿的方式相比,拥有更出色的输出电压调节能力.
去耦电容器可在频率高出电压调节器可响应频率时提供瞬态控制,而延迟时间短和非线性瞬态响应的技术优势减少了对输出去耦电容器的需求.无补偿架构的延迟时间短和非线性瞬态响应等特点扩大了电压调节器的有效频率范围,从而减少了实现数字POL模块瞬态响应所需要的去耦电容器的数量、PCB面积和成本.
无需电源专业技术的卓越功率输出解决方案
从在纯模拟设计中采用手动试差法以来,补偿技术已经得到很长时间的发展.目前采用先进半导体器件设计的复杂性及日益缩短的设计周期,进一步推动了补偿方法的演变.CUI所提供的众多数字电源模块中均采用了当前最先进的补偿技术以及友好的用户界面,从而使用户在没有先进的电源知识的情况下也能够实现快速的设计.
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