新一代電源模塊加快瞬態(tài)響應(yīng)并降低電容需求

　　在當(dāng)前高端通信系統(tǒng)等復(fù)雜的電路板上，設(shè)計(jì)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(duì)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí) ic時(shí)，電流瞬態(tài)中的輸出電壓峰值偏移問(wèn)題越來(lái)越值得關(guān)注。如果內(nèi)核電壓 (vcc) 超過(guò)規(guī)定的容限，ic 就有可能啟動(dòng)復(fù)位或者產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。為了防止此類現(xiàn)象，設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注他們所采用的負(fù)載點(diǎn) (pol) 模塊的瞬態(tài)性能。

　　最新的千兆赫 dsp 等數(shù)字負(fù)載要求電壓偏移極低、速度極高的瞬態(tài)響應(yīng)。為了達(dá)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(shí)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(jì)人員逐漸增加輸出電容，瞬態(tài)幅值會(huì)有所降低。不過(guò)，電容的提高會(huì)降低電源系統(tǒng)的帶寬。較慢的響應(yīng)時(shí)間抵消了更高蓄能的優(yōu)勢(shì)。另外，這種方案也很可能會(huì)降低相位裕度(造成潛在的不穩(wěn)定輸出)，尤其對(duì)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(lái)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(huì)超過(guò)電源模塊自身的兩倍。因此要求較大的 pcb 分配，而這一點(diǎn)有時(shí)候并不現(xiàn)實(shí)。此外，在加入電容器成本之后，整個(gè)電源解決方案的 bom 成本會(huì)超過(guò)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(jì)人員如今能實(shí)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(shí)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(duì)輸出電容的需求，從而實(shí)現(xiàn)具體的電壓偏移目標(biāo)。這項(xiàng)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(jì)人員根據(jù)需要調(diào)節(jié)模塊，從而達(dá)到特定的瞬態(tài)負(fù)載要求。采用單個(gè)外部電阻器即可實(shí)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(fù)載應(yīng)用中，turbotrans 可以幫助設(shè)計(jì)人員通過(guò)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(shì)是提高超低 esr 電容器的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)人員可以高枕無(wú)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?zé)o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(shí)現(xiàn)具體瞬態(tài)目標(biāo)時(shí)對(duì)附加電容的需求。對(duì)于 ti 額定電流為 30a 的pth08t210w 等模塊，試驗(yàn)證明附加電容可以降低 8 倍。圖 2 舉例說(shuō)明了 5a/µs 速率下 10a 負(fù)載變動(dòng)幅度 (load step) 所需要的 50mv 最大偏移瞬態(tài)目標(biāo)。第一幅圖說(shuō)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(dá)到 150mv。為了滿足 50mv 的偏移要求，設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)比

　　上述例子說(shuō)明電容降低了 8 倍。當(dāng)然，電容需求的降低取決于所采用的電容器類型，因?yàn)槊糠N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(shì)。

　　利用如 turbotrans 等先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在得以輕松采用成本大幅降低的 pol 模塊來(lái)滿足特定的瞬態(tài)負(fù)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(gè)電阻。參考相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)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(jì)人員發(fā)現(xiàn)理想的情況是采用純陶瓷或鉭電容器，因?yàn)樗鼈兊某叽巛^小并具有無(wú)鉛焊接特性。而過(guò)去采用這些電容器會(huì)增加對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)負(fù)載的良好控制響應(yīng)(參見(jiàn)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(fù)載時(shí)的輸出電壓偏移。

　　更高的性能與設(shè)計(jì)靈活性

　　另一種可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)電源模塊以不同頻率運(yùn)行時(shí)，頻率總和以及頻率差造成的拍頻會(huì)導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn) emi 濾波。圖 5以兩種信號(hào)為例，一個(gè)工作頻率為 300khz，另一個(gè)為 301khz。拍頻為 1khz。smartsync 允許設(shè)計(jì)人員將多個(gè) t2 模塊的開(kāi)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(jiǎn)化 emi 濾波。

　　圖5 產(chǎn)生 1khz 拍頻的兩個(gè) 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(yùn)行頻率。可將 smartsync 用于在240～400khz 頻率范圍內(nèi)同步 t2，從而使設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化模塊的效率或者使頻率設(shè)置避開(kāi)對(duì)噪聲敏感的電流，以便把開(kāi)關(guān)噪聲限制在特定范圍之外(如接收機(jī)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(shì)包括降低輸入電容?？梢栽诓煌辔唤峭?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(jí) dsp(如 ti 新型 tci6482)、fpga、asic 以及微處理器現(xiàn)在需要 3% 這樣更嚴(yán)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(dòng)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(jì)可達(dá)到極其嚴(yán)格的 1.5% dc容限，包括設(shè)定點(diǎn)精確度、負(fù)載/線路穩(wěn)壓、溫度變化和長(zhǎng)期漂移。

　　如果 dc 容限為 1.5%，則瞬態(tài)負(fù)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?3%容限范圍內(nèi)。所有 t2 電源模塊均包含差分式遠(yuǎn)程感測(cè)，其有助于在相應(yīng)負(fù)載條件下保持上述高精度。

　　結(jié)語(yǔ)

　　新型處理系統(tǒng)在越來(lái)越高的電流負(fù)載條件下需要更為快速的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。傳統(tǒng) pol 模塊需要在器件的輸出端增加越來(lái)越多的大型電容，這會(huì)相應(yīng)增加成本和對(duì)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(jì)人員采用單個(gè)外部電阻動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源模塊，以便滿足特定瞬態(tài)負(fù)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(shí)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(shí)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(yán)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(dòng)高性能數(shù)字電路所需的成本和板級(jí)空間。