新一代電源模塊加快瞬態(tài)響應(yīng)并降低電容需求

Next generation Power Modules Offer Fast Transient Response with Reduced Capacitance 
在當前高端通信系統(tǒng)等復(fù)雜的電路板上，設(shè)計人員日益需要為各種 DSP、FPGA、ASIC 及微處理器提供更多電壓軌。這樣就對電源系統(tǒng)的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，需要在存在由高速數(shù)字電路造成的電流瞬態(tài)情況下盡可能降低電壓偏移。在采用諸如最新的千兆赫 DSP、FPGA、ASIC 與微處理器等高級 IC時，電流瞬態(tài)中的輸出電壓峰值偏移問題越來越值得關(guān)注。如果內(nèi)核電壓 (VCC) 超過規(guī)定的容限，IC 就有可能啟動復(fù)位或者產(chǎn)生邏輯錯誤。為了防止此類現(xiàn)象，設(shè)計人員需要密切關(guān)注他們所采用的負載點 (POL) 模塊的瞬態(tài)性能。
最新的千兆赫 DSP 等數(shù)字負載要求電壓偏移極低、速度極高的瞬態(tài)響應(yīng)。為了達到上述目的，通常需要在 DC／DC 轉(zhuǎn)換器中增加許多輸出電容，用于在反饋環(huán)路做出響應(yīng)之前提供保持時間。這種電源模塊（包括為了滿足瞬態(tài)電壓容限所增加的電容）代表著完整的電源解決方案。
隨著設(shè)計人員逐漸增加輸出電容，瞬態(tài)幅值會有所降低。不過，電容的提高會降低電源系統(tǒng)的帶寬。較慢的響應(yīng)時間抵消了更高蓄能的優(yōu)勢。另外，這種方案也很可能會降低相位裕度（造成潛在的不穩(wěn)定輸出），尤其對于超低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 與超低 ESR 電容器而言尤為如此。
電容器這些年來一直在不斷發(fā)展——容量效率在不斷提高。即使具有更高的電容效率，但是，如果考慮到增加的電容器，整體電源解決方案的大小仍然會超過電源模塊自身的兩倍。因此要求較大的 PCB 分配，而這一點有時候并不現(xiàn)實。此外，在加入電容器成本之后，整個電源解決方案的 BOM 成本會超過電源自身成本的兩倍。 

更快的瞬態(tài)響應(yīng)
利用 DC／DC 電源模塊技術(shù)的創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計人員如今能實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)、更低的電壓偏移與更低的輸出電容。實例之一就是德州儀器 (TI) 的 T2 系列新一代 PTH 模塊（圖 1）。這些器件集成了一種稱為 TurboTrans™ 技術(shù)的新功能，它可以大幅降低客戶對輸出電容的需求，從而實現(xiàn)具體的電壓偏移目標。這項專利技術(shù)的工作原理是修改模塊的控制環(huán)路。它允許設(shè)計人員根據(jù)需要調(diào)節(jié)模塊，從而達到特定的瞬態(tài)負載要求。采用單個外部電阻器即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

 
圖1  采用 TurboTrans技術(shù)的 T2 系列電源模塊
在高瞬態(tài)負載應(yīng)用中，TurboTrans 可以幫助設(shè)計人員通過降低電壓偏移使輸出電容降低 8 倍。這種特性可以節(jié)省電容器成本及 PCB 空間。該技術(shù)的另一種優(yōu)勢是提高超低 ESR 電容器的穩(wěn)定性。設(shè)計人員可以高枕無憂地采用最新的 Oscon 電容器、鉭質(zhì)電容器或所有陶瓷輸出電容。這樣就可以利用能夠承受高溫無鉛焊接的電容器技術(shù)。

更快速的瞬態(tài)響應(yīng)與更低的輸出電容
TurboTrans 可以降低實現(xiàn)具體瞬態(tài)目標時對附加電容的需求。對于 TI 額定電流為 30A 的PTH08T210W 等模塊，試驗證明附加電容可以降低 8 倍。圖 2 舉例說明了 5A/µs 速率下 10A 負載變動幅度 (load step) 所需要的 50mv 最大偏移瞬態(tài)目標。第一幅圖說明所需要的最低輸出電容為 470µF、TurboTrans 關(guān)閉情況下的 PTH08T210W。瞬態(tài)造成的電壓偏移達到 150mV。為了滿足 50mV 的偏移要求，設(shè)計人員總共需要 10560µF，如中間的圖所示。這是不采用 Turbo Trans 的模塊的典型結(jié)果。第三幅圖表明，在采用TurboTrans情況下，僅需1320µF輸出電容。
不采用TurboTrans時的最低輸出電容 (470µF)。
在不采用TurboTrans情況下需要10560µF才能滿足 50mV 的偏移要求。
在采用TurboTrans情況下僅需1320µF 即可滿足 50mV 的偏移要求。

 
圖2  瞬態(tài)響應(yīng)與電容的對比
上述例子說明電容降低了 8 倍。當然，電容需求的降低取決于所采用的電容器類型，因為每種電容都具有特殊的寄生阻抗。不同電容器類型的 ESR 與 ESL 特征也各不相同。低 ESR 電容組可以從 TurboTrans 獲得巨大的優(yōu)勢。
利用如 TurboTrans 等先進技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在得以輕松采用成本大幅降低的 POL 模塊來滿足特定的瞬態(tài)負載要求。如圖 3 所示，所需要做的事情只是在 T2 系列模塊的 VSENSE 引腳和TurboTrans 引腳之間連接一個電阻。參考相關(guān)產(chǎn)品說明書即可確定所需的電阻與電容值。

 
圖3  連接 TurboTrans 的 T2 系列電源模塊
許多設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)理想的情況是采用純陶瓷或鉭電容器，因為它們的尺寸較小并具有無鉛焊接特性。而過去采用這些電容器會增加對某些 POL 電源模塊的穩(wěn)定性顧慮。借助 TurboTrans 技術(shù)可以提高 T2 模塊的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)對瞬態(tài)負載的良好控制響應(yīng)（參見圖 4）。

 
圖4  采用與不采用 TurboTrans 情況下 POL模塊響應(yīng) 8A 瞬態(tài)負載時的輸出電壓偏移。

更高的性能與設(shè)計靈活性
另一種可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員處理需要復(fù)雜電源方案的 IC 的創(chuàng)新功能是 TI SmartSync。當電源模塊以不同頻率運行時，頻率總和以及頻率差造成的拍頻會導(dǎo)致難以實現(xiàn) EMI 濾波。圖 5以兩種信號為例，一個工作頻率為 300kHz，另一個為 301kHz。拍頻為 1kHz。SmartSync 允許設(shè)計人員將多個 T2 模塊的開關(guān)頻率同步到某一特定頻率。同步后的模塊可消除拍頻并簡化 EMI 濾波。

 
圖5  產(chǎn)生 1kHz 拍頻的兩個 POL 電源模塊 
SmartSync 允許將同步頻率設(shè)置為高于或低于模塊的正常自由運行頻率?？蓪?nbsp;SmartSync 用于在240～400kHz 頻率范圍內(nèi)同步 T2，從而使設(shè)計能夠優(yōu)化模塊的效率或者使頻率設(shè)置避開對噪聲敏感的電流，以便把開關(guān)噪聲限制在特定范圍之外（如接收機的 IF 頻率）。一起同步的 T2 模塊的數(shù)量不受限制。
這種技術(shù)的其他優(yōu)勢包括降低輸入電容?？梢栽诓煌辔唤峭?nbsp;T2 模塊（采用外部電路）。這可以在某些應(yīng)用中平衡電源電流并允許采用更小的輸入電容器。

更趨完善的輸出穩(wěn)壓
高級 DSP（如 TI 新型 TCI6482）、FPGA、ASIC 以及微處理器現(xiàn)在需要 3％ 這樣更嚴格的內(nèi)核電壓 (VCC) 容限，而相比之下以前的產(chǎn)品僅要求 5％。上述容限必須包括由于靜態(tài) (DC) 和動態(tài) (AC) 工況下所有變化引起的所有輸出電壓偏移。為了滿足上述要求，T2 電源模塊設(shè)計可達到極其嚴格的 1.5％ DC容限，包括設(shè)定點精確度、負載／線路穩(wěn)壓、溫度變化和長期漂移。
如果 DC 容限為 1.5％，則瞬態(tài)負載引起的 AC 變化必須低于 1.5％。新型 T2 電源模塊把極其緊密的 DC 穩(wěn)壓和 TurboTrans 技術(shù)融合在一起，從而在各種工況下都能夠?qū)⑤敵鲭妷罕３衷?nbsp;3％容限范圍內(nèi)。所有 T2 電源模塊均包含差分式遠程感測，其有助于在相應(yīng)負載條件下保持上述高精度。

結(jié)語
新型處理系統(tǒng)在越來越高的電流負載條件下需要更為快速的瞬態(tài)響應(yīng)時間。傳統(tǒng) POL 模塊需要在器件的輸出端增加越來越多的大型電容，這會相應(yīng)增加成本和對空間的占用。最新一代的POL 模塊（如 TI 的 T2 系列）允許電源設(shè)計人員采用單個外部電阻動態(tài)調(diào)節(jié)電源模塊，以便滿足特定瞬態(tài)負載要求。最終可以加快瞬態(tài)響應(yīng)，降低輸出電壓偏移，同時使輸出電容降低 5～8倍，可以節(jié)省電容器成本和 PCB 空間。另外，在采用超低 ESR 鉭電容或陶瓷電容時還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 
T2 模塊可以滿足新一代 DSP 的建議輸出容限要求。嚴格的 1.5％ 容限加上 TurboTrans 技術(shù)能夠輕松保持 3％ 的總 VOUT 容限，包括高速電流瞬態(tài)造成的電壓偏移。利用 TurboTrans、SmartSync 以及 1.5％ 穩(wěn)壓等特性，TI 的 T2 模塊可以顯著降低驅(qū)動高性能數(shù)字電路所需的成本和板級空間。