具有多個(gè)電壓軌的FPGA和DSP電源設(shè)計(jì)實(shí)例（二）

實(shí)現(xiàn)電源軌的受控單調(diào)上升

　　最后推的電源設(shè)計(jì)方案是在啟動(dòng)時(shí)單調(diào)上升，在圖4的上圖所示。

　　大容量電容的容量過大將迫使POL轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)期間進(jìn)入電流限制，進(jìn)而可能使轉(zhuǎn)換器反復(fù)進(jìn)出熱停機(jī)狀態(tài)而永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到期望的穩(wěn)壓輸出。對(duì)快速啟動(dòng)型線性穩(wěn)壓器而言，一個(gè)很常見的啟動(dòng)問題是，如果輸入電源在啟動(dòng)時(shí)電壓下降，在輸入電容重新充電之前將暫時(shí)激活該穩(wěn)壓器的欠壓鎖定(UVLO)。這引起該調(diào)解器重復(fù)地短時(shí)停機(jī)然后恢復(fù)，導(dǎo)致輸出電壓振蕩并最終鋸齒狀上升到終值電壓。圖5顯示了由一個(gè)樣板電源供電的快速啟動(dòng)型線性穩(wěn)壓器的例子，輸入電源的電壓下降，激活UVLO并停機(jī)，該過程重復(fù)進(jìn)行，最終達(dá)到期望的穩(wěn)壓輸出。

　　只有少數(shù)線性穩(wěn)壓器帶有可以控制啟動(dòng)過程的軟啟動(dòng)功能。在啟動(dòng)時(shí)，除非進(jìn)入熱限制或輸入軌電壓被拉下來，這些穩(wěn)壓器向輸出電容提供最高到其電流限定值的充電電流(如圖5所示)。不管是內(nèi)部固定的還是外部可調(diào)的，所有的開關(guān)轉(zhuǎn)換器都帶有某種軟啟動(dòng)。把跟在直流/直流轉(zhuǎn)換器之后的FET用作電流限制開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。圖6和圖7顯示了此類應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例和軟啟動(dòng)的結(jié)果。

　　線性穩(wěn)壓器和開關(guān)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的常用方案有兩種，即參考電壓控制或電流限制控制。在這兩種方案中，都使用一個(gè)小的外部電容(在皮法到1μF的范圍)來控制軟啟動(dòng)定時(shí)。電壓控制的軟啟動(dòng)通常通過慢慢提升參考電壓來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榉答伃h(huán)迫使該轉(zhuǎn)換器提供足夠的電流使輸出電壓跟隨參考電壓，輸出電壓提升的速度(dv/dt)正比于在軟啟動(dòng)期間提供參考電壓的啟動(dòng)電容。設(shè)定輸出電壓的上升速度所需要的外部電容值由一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)方程來決定。假設(shè)突入電流(inrush current)由充電大容量電容CBulk決定，突入電流將是固定的(i = CBulk ??dv/dt)，如圖4所示。讓兩個(gè)這類軟啟動(dòng)共享同一個(gè)的軟啟動(dòng)電容可以實(shí)現(xiàn)在本系列論文第一部分所討論的比率(ratiometric)排序。

　　當(dāng)使用電流限制控制的軟啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)換器緩慢地或以步進(jìn)方式把電流限制提升到最大值。此時(shí)，該轉(zhuǎn)換器看起來像一個(gè)電流源，把一個(gè)慢慢提高的電流提供給負(fù)載。由于電壓反饋環(huán)仍然試圖提供期望的輸出電壓，所以該轉(zhuǎn)換器將提供電流限制和各種熱保護(hù)所允許的最大電流。輸出電壓的提升速率(dv/dt)是輸出電壓的絕對(duì)數(shù)值(即一個(gè)1.2V軌將比3.3V軌提升的更快)、該軌上的阻性和容性裝載以及該轉(zhuǎn)換器的電流限制設(shè)定值的函數(shù)。

負(fù)載躍變所產(chǎn)生的暫態(tài)過程

　　不論依賴于傳統(tǒng)PWM轉(zhuǎn)換器的環(huán)路帶寬還是依賴于磁滯轉(zhuǎn)換器的固定的開關(guān)時(shí)間，所有POL直流/直流轉(zhuǎn)換器都有有限的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間。圖8顯示了低電流線性穩(wěn)壓器對(duì)輸出負(fù)載電流變化(如一行引起DSP完成復(fù)雜運(yùn)算的代碼)的響應(yīng)。

　　使用低ESR和低ESL(等效串聯(lián)電感)的輸出電容有助于減小暫態(tài)下垂。然而，為了幫助該轉(zhuǎn)換器應(yīng)付階躍暫態(tài)，幾乎總需要在該電源軌的輸出端另外附加電容，并需要增加局部旁路電容。圖9顯示了負(fù)載階躍暫態(tài)過程的傳播和由解耦網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抑制作用。不同容量的電容抑制不同頻率的負(fù)載階躍暫態(tài)成分，以至于POL轉(zhuǎn)換器(從根本上說，其輸入電源)被迫只能小幅度支持該階躍負(fù)載的低頻成分。例如，如果FPGA或DSP產(chǎn)生1000 A/μs的負(fù)載階躍，由于解耦網(wǎng)絡(luò)對(duì)該暫態(tài)的抑制作用，該轉(zhuǎn)換器被迫只能對(duì)1A/μs的暫態(tài)做出反應(yīng)。

　　小電容(在幾皮法到1μF的范圍)處理負(fù)載階躍的高頻成分。1到22 μF的電容處理中頻成分，從47到1000μF的低ESR大容量電容處理低頻成分。優(yōu)化解耦網(wǎng)絡(luò)(即把所增加的電容量降到最小)的常見方法是目標(biāo)阻抗方法，參考文獻(xiàn)4全面介紹了該方法。該方法要求設(shè)計(jì)者知道被供電器件的負(fù)載階躍暫態(tài)的最壞情況(如在0.5 μs從200mA上升到2.2A或4A/μs階躍的持續(xù)時(shí)間為10μs)并對(duì)POL轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)響應(yīng)能力有所了解。

　　如果POL轉(zhuǎn)換器的位置遠(yuǎn)離被供電的數(shù)字IC和/或板布局要求電源軌使用窄的箔線和/或小的過孔連接到負(fù)載，則需要為如圖9所示的模型提供板電阻和電感的近似值。

　　對(duì)大多數(shù)FPGA和DSP應(yīng)用來說，負(fù)載階躍暫態(tài)的最壞情況大多是未知的，因而，使用經(jīng)驗(yàn)法則來設(shè)計(jì)解耦網(wǎng)絡(luò)更為簡(jiǎn)單一些。例如，常常根據(jù)數(shù)字IC所使用的電源引腳總數(shù)(或根據(jù)每個(gè)部分所使用的電源引腳數(shù))按某個(gè)比例來放置各類電容(高、中、低頻)。這種解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法是有效的，但趨向于過設(shè)計(jì)，沒有充分利用線性穩(wěn)壓器的或開關(guān)轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)響應(yīng)能力并因加入了額外的電容而占用較大的板空間。

　　可以采用經(jīng)驗(yàn)法則相互獨(dú)立地完成解耦網(wǎng)絡(luò)和POL轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。但這種方法存在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，POL轉(zhuǎn)換器可能會(huì)因?yàn)榻怦罹W(wǎng)絡(luò)的附加電容而變得不穩(wěn)定，因而需要對(duì)該轉(zhuǎn)換器在輸出端的總電容進(jìn)行補(bǔ)償。TI公司在power.ti.com/swift網(wǎng)址提供的參考文件和設(shè)計(jì)軟件可以對(duì)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和補(bǔ)償提供幫助。人為地把一個(gè)負(fù)載階躍暫態(tài)加到轉(zhuǎn)換器的輸出端并觀察因該轉(zhuǎn)換器響應(yīng)該暫態(tài)而產(chǎn)生的輸出電壓振鈴(振蕩)是另一種確定轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性的方式。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，如果該轉(zhuǎn)換器在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前振蕩三次以上，則認(rèn)為系統(tǒng)瀕臨不穩(wěn)定(欠阻尼)。如果響應(yīng)較慢且沒有振鈴或超調(diào)，則可認(rèn)為系統(tǒng)是非常穩(wěn)定的(過阻尼)。

　　PC處理器可以發(fā)生多個(gè)在1000A/μs的范圍內(nèi)的負(fù)載階躍暫態(tài)，所以既需要保證POL轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)過程短也需要較大的解耦網(wǎng)絡(luò)。為降低解耦網(wǎng)絡(luò)的成本并減小它所使用的板空間，PC母板制造商現(xiàn)在使用目標(biāo)阻抗方法(或類似方法)來減少電容的數(shù)量和充分利用直流/直流轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)能力。與PC處理器相比，目前單獨(dú)的FPGA和DSP應(yīng)用的功率和開關(guān)速度均較低。所以，除非FPGA或DSP產(chǎn)生類似于PC處理器的負(fù)載階躍或解耦網(wǎng)絡(luò)的尺寸太大或成本太高，確定解耦網(wǎng)絡(luò)尺寸的經(jīng)驗(yàn)法則是在設(shè)計(jì)的最優(yōu)度和快速上市之間進(jìn)行合理的折衷。

本文小結(jié)

　　對(duì)于多軌應(yīng)用，要在線性穩(wěn)壓器和各種類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器之間做出合適的選擇，不僅需要綜合考慮尺寸、效率和成本，也必須考慮通電順序和啟動(dòng)電流管理等問題。另外，為了在負(fù)載階躍暫態(tài)過程中保持調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換器很可能需要借助于解耦電容。

作者：Jeff Falin，德州儀器， Email: j-falin1@ti.com