TI案例：新一代電源模塊更快速的瞬時(shí)響應(yīng)方法

對于復(fù)雜的電路板，如高階通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員愈來愈需要為不同的DSP、FPGA、ASIC和微處理器提供更多的電壓軌。目前必須面對的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，是在高速數(shù)字電路產(chǎn)生電流瞬時(shí)的情況下，將電壓偏差降到最低。越來越需要關(guān)注的問題是，在使用先進(jìn)IC時(shí)，如最新的GHz級DSP、FPGA、ASIC和微處理器，電流瞬時(shí)期間會出現(xiàn)輸出電壓的峰值偏差。如果核心電壓(VCC)超出指定的容差上限，IC必須重設(shè)，否則會發(fā)生邏輯錯誤。為避免發(fā)生這種狀況，設(shè)計(jì)人員需要更注意所使用的負(fù)載點(diǎn)(point-of-load, POL)模塊瞬時(shí)效能。

最新GHz級DSP之類的數(shù)字負(fù)載需要相當(dāng)快速的瞬時(shí)響應(yīng)，以及相當(dāng)?shù)偷碾妷浩睢檫_(dá)到這些目標(biāo)，通常需要為DC/DC轉(zhuǎn)換器加裝多個(gè)輸出電容，讓它在回饋回路響應(yīng)前有足夠的維持時(shí)間。使用電源模塊，并加裝電容以符合電壓瞬時(shí)容差后，便形成一套完整的電源解決方案。

由于設(shè)計(jì)人員逐漸增加輸出電容，因此瞬時(shí)幅度會降低，然而，增加電容會降低電源系統(tǒng)頻寬，高電能儲存的優(yōu)點(diǎn)會被緩慢的響應(yīng)時(shí)間抵消。

更快速的瞬時(shí)響應(yīng)

借由創(chuàng)新的DC/DC電源模塊技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如今能夠運(yùn)用較少的輸出電容，達(dá)到更快速的瞬時(shí)響應(yīng)及更低的電壓偏差。德州儀器的T2系列新一代PTH模塊(見圖1)便是其中一例，這個(gè)系列的模塊結(jié)合一項(xiàng)全新的TurboTrans技術(shù)，能夠大幅減少客戶為達(dá)到特定電壓偏差目標(biāo)而使用輸出電容的需求。這項(xiàng)專利技術(shù)的運(yùn)作方式是修改模塊的控制回路，讓設(shè)計(jì)人員自行調(diào)整模塊，以符合特定的瞬時(shí)負(fù)載需求，只需增加一個(gè)外部電阻就可以完成調(diào)整工作。

圖1 采用TurboTrans的T2電源模塊

在高瞬時(shí)負(fù)載的應(yīng)用中，TurboTrans技術(shù)能夠讓設(shè)計(jì)人員減少高達(dá)8倍數(shù)量的輸出電容，同時(shí)將電壓偏差降低，因此能夠節(jié)省電容成本與印刷電路板空間。這項(xiàng)技術(shù)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是提升超低ESR電容的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)人員便能夠使用較新的Oscon輸出電容、聚合物鉭質(zhì)輸出電容或所有陶瓷輸出電容，而完全不需顧慮穩(wěn)定性問題。如此一來，便能夠運(yùn)用可達(dá)到高溫?zé)o鉛焊錫規(guī)范的電容技術(shù)。

更快速的瞬時(shí)響應(yīng)與更低的電壓偏差

TurboTrans技術(shù)能夠減少增加電容以達(dá)到特定瞬時(shí)目標(biāo)的需求。對于TI的額定30A PTH08T210W之類的模塊，經(jīng)證實(shí)可減少高達(dá)8倍數(shù)量的電容。圖2顯示改變量為5A/μs的10A負(fù)載步階所需的50mV最大偏差瞬時(shí)目標(biāo)范例。第一張圖顯示 PTH08T210W以470μF的最低需求輸出電容運(yùn)作，而且TurboTrans功能已關(guān)閉。電壓偏差由于瞬時(shí)而達(dá)到150mV。為滿足所需的50mV偏差值，設(shè)計(jì)人員總共需要10 560μF的輸出電容，如第二張圖所示，這是未使用Turbo Trans功能的模塊常見的結(jié)果。第三張圖則顯示使用TurboTrans功能的結(jié)果，其中只需要1320μF的輸出電容。

圖2 瞬時(shí)響應(yīng)vs.電容

這個(gè)范例顯示減少的電容有8倍之多。當(dāng)然，減少所需的電容與使用的電容類型有關(guān)，因?yàn)槊總€(gè)電容類型都有各自的寄生阻抗。不同的電容類型有不同的ESR與ESL特性，低ESR電容貯電模塊相當(dāng)適合采用TurboTrans技術(shù)。

透過先進(jìn)的TurboTrans技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如今能夠在較短的設(shè)計(jì)過程中以極低的成本使用POL模塊，以達(dá)到特定的瞬時(shí)負(fù)載需求。如圖3所示，這只需要在T2系列模塊的VSENSE接腳與TurboTrans接腳之間接上電阻，從而就可根據(jù)數(shù)據(jù)表決定電阻的值與所需的電容數(shù)量。

圖3 接上TurboTrans的T2系列電源模塊

許多設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)可以使用所有陶瓷電容或聚合物鉭質(zhì)電容，因?yàn)檫@些電容的體積很小，而且可達(dá)到無鉛焊錫的規(guī)范。在過去，使用這些電容會引發(fā)某些POL電源模塊的穩(wěn)定性疑慮。使用TurboTrans后，T2模塊的穩(wěn)定性會實(shí)質(zhì)提升，因此可達(dá)到適切控制的瞬時(shí)負(fù)載響應(yīng)(見圖4)。

圖4 使用及不使用TurboTrans時(shí)的輸出電壓偏差

提升效能與設(shè)計(jì)彈性

另一方面，TI的SmartSync功能也能夠協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用需要復(fù)雜電源配置設(shè)定的IC。當(dāng)電源模塊以不同頻率運(yùn)作時(shí)，這些頻率的總和與差異所造成的拍差頻率(beat frequency)會使EMI濾波不易達(dá)成。圖5顯示兩個(gè)信號范例，第一個(gè)信號的頻率為300kHz，第二個(gè)信號的頻率為301kHz。拍差頻率為1kHz。SmartSync能夠讓設(shè)計(jì)人員將多個(gè)T2模塊的切換頻率同步為特定頻率，經(jīng)過同步的模塊可消除拍差頻率，并且使EMI濾波更容易達(dá)成。

圖5 產(chǎn)生1kHz拍差頻率的兩個(gè)POL電源模塊

SmartSync允許將同步頻率設(shè)定為高于或低于模塊的一般自由運(yùn)作頻率。SmartSync可用來為頻率范圍介于240～400kHz之間的T2模塊進(jìn)行同步，因此能夠讓此設(shè)計(jì)發(fā)揮最佳化的模塊效率，也可用于不讓噪聲敏感電路出現(xiàn)這類頻率，以便將切換噪聲保持在特定的范圍之外(也就是接收器的IF頻率)?？梢徊⑼降腡2模塊沒有數(shù)量方面的限制。

這項(xiàng)技術(shù)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是減少輸入電容。T2模塊能夠以不同的相位角度進(jìn)行同步 (使用外部電路系統(tǒng))。在某些應(yīng)用中，這可平衡來源電流，并且能夠使用較小的輸入電容。

輸出調(diào)節(jié)的改善

相較于前幾代的5%容差，TI的全新TCI6482、FPGA、ASIC及微處理器等先進(jìn)DSP需要更小的3%核心電壓(VCC)容差，這個(gè)容差必須包含由于靜態(tài)(DC)與動態(tài)(AC)等操作條件變更而造成的所有輸出電壓偏差。為符合這項(xiàng)規(guī)格，T2電源模塊的設(shè)計(jì)必須達(dá)到更小的1.5% DC容差，做法包括設(shè)定點(diǎn)精確性、負(fù)載/線路調(diào)節(jié)、溫度變化與長時(shí)間漂移。

如果DC容差為1.5%，則由于瞬時(shí)負(fù)載造成的AC偏差必須小于1.5%。全新的T2電源模塊結(jié)合相當(dāng)嚴(yán)格的DC調(diào)節(jié)與TurboTrans技術(shù)，可便于將任何運(yùn)作條件下的輸出電壓維持在3%的容差內(nèi)。所有T2電源模塊都含有差動遙感(differential remote sense)，可協(xié)助在負(fù)載時(shí)維持這個(gè)高度精確性。