新一代電源模塊加快瞬態(tài)響應并降低電容需求

　　在當前高端通信系統(tǒng)等復雜的電路板上，設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注。如果內核電壓 (vcc) 超過規(guī)定的容限，ic 就有可能啟動復位或者產(chǎn)生邏輯錯誤。為了防止此類現(xiàn)象，設計人員需要密切關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。為了達到上述目的，通常需要在 dc/dc 轉換器中增加許多輸出電容，用于在反饋環(huán)路做出響應之前提供保持時間。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

　　利用 dc/dc 電源模塊技術的創(chuàng)新，系統(tǒng)設計人員如今能實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應、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。這項專利技術的工作原理是修改模塊的控制環(huán)路。它允許設計人員根據(jù)需要調節(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)調節(jié)。

　　圖1 采用 turbotrans技術的 t2 系列電源模塊

　　在高瞬態(tài)負載應用中，turbotrans 可以幫助設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。該技術的另一種優(yōu)勢是提高超低 esr 電容器的穩(wěn)定性。設計人員可以高枕無憂地采用最新的 oscon 電容器、鉭質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。

　　更快速的瞬態(tài)響應與更低的輸出電容

　　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，系統(tǒng)設計人員現(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(參見圖 4)。

　　圖4 采用與不采用 turbotrans 情況下 pol模塊響應 8a 瞬態(tài)負載時的輸出電壓偏移。

　　更高的性能與設計靈活性

　　另一種可以幫助系統(tǒng)設計人員處理需要復雜電源方案的 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 允許設計人員將多個 t2 模塊的開關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 允許將同步頻率設置為高于或低于模塊的正常自由運行頻率?？蓪?smartsync 用于在240～400khz 頻率范圍內同步 t2，從而使設計能夠優(yōu)化模塊的效率或者使頻率設置避開對噪聲敏感的電流，以便把開關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。

　　這種技術的其他優(yōu)勢包括降低輸入電容?？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 電源模塊設計可達到極其嚴格的 1.5% dc容限，包括設定點精確度、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 技術融合在一起，從而在各種工況下都能夠將輸出電壓保持在 3%容限范圍內。所有 t2 電源模塊均包含差分式遠程感測，其有助于在相應負載條件下保持上述高精度。

　　結語

　　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)允許電源設計人員采用單個外部電阻動態(tài)調節(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，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動高性能數(shù)字電路所需的成本和板級空間。