新一代電源模塊以較少電容達(dá)到更快速的瞬時(shí)響應(yīng)

作者：Geoff Jones and Brian Narveson，德州儀器

對(duì)于復(fù)雜的電路板，例如現(xiàn)今的高階通訊系統(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(duì)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，將電壓偏差降到較低。越來越需要關(guān)注的問題是，在使用先進(jìn) IC 時(shí)，例如較新的 GHz級(jí) DSP、FPGA、ASIC 和微處理器，電流瞬時(shí)期間會(huì)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(huì)發(fā)生邏輯錯(cuò)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。

較新 GHz級(jí) 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�差。為達(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(huì)降低，然而，增加電容會(huì)降低電源系統(tǒng)頻寬，高電能儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)會(huì)被緩慢的響應(yīng)時(shí)間抵消。這個(gè)做法也很有可能減少相位邊限 (導(dǎo)致潛在性的不穩(wěn)定輸出)，尤其對(duì)于極低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 與超低 ESR 電容更是如此。

電容經(jīng)過多年的演進(jìn)，在容積方面的效能持續(xù)提升。即使容積效能有所提升，在增加電容后，整個(gè)電源解決方案的大小往往會(huì)是單獨(dú)一個(gè)電源模塊的兩倍以上。這需要大型的印刷電路板配置，不過這可能并不是經(jīng)常都能夠辦到。除此之外，在增加電容的成本后，整個(gè)電源解決方案的組件成本可能是單獨(dú)電源供應(yīng)器的兩倍以上。

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 (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，這可讓設(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)八倍數(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(duì)于 TI 的額定 30A PTH08T210W 之類的模塊，經(jīng)證實(shí)可減少高達(dá)八倍數(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 較大偏差瞬時(shí)目標(biāo)范例。第一張圖顯示 PTH08T210W 以 470μF 的較低需求輸出電容運(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八倍之多。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，而從數(shù)據(jù)表便能夠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(huì)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(huì)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 達(dá)到 8A 瞬時(shí)負(fù)載響應(yīng)的 POL 模塊所呈現(xiàn)的輸出電壓偏差。

提升效能與設(shè)計(jì)彈性

另一方面，TI 的創(chuàng)新 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(huì)使 EMI 濾波不易達(dá)成。圖 5 顯示兩個(gè)訊號(hào)范例，第一個(gè)訊號(hào)的頻率為 300 kHz，第二個(gè)訊號(hào)的頻率為 301 kHz。拍差頻率為 1 kHz。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 1 kHz 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 到 400 kHz 之間的 T2 模塊進(jìn)行同步，因此能夠讓此設(shè)計(jì)發(fā)揮較佳化的模塊效率，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)。可一并同步的 T2 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 如今需要更小的 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(dòng)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，作法包括設(shè)定點(diǎn)精確性、負(fù)載/線路調(diào)節(jié)、溫度變化與長(zhǎng)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(dòng)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。

摘要

較新的處理系統(tǒng)目前都需要逐漸升高的電流負(fù)載來達(dá)到更快速的瞬時(shí)響應(yīng)。一般的 POL 模塊需要在裝置的輸出端增加大量電容，這意味著更高的電容成本與較大的印刷電路板空間。TI 的 T2 系列等較新一代 POL 模塊能夠讓電源供應(yīng)設(shè)計(jì)人員只需使用單一外部電阻，就能大幅地調(diào)整模塊，以達(dá)到特定的瞬時(shí)負(fù)載需求。采用此類模塊，較終可達(dá)到更快速的瞬時(shí)響應(yīng)及更低的輸出電壓偏差，同時(shí)可減少五倍到八倍數(shù)量的電容，以節(jié)省電容成本與印刷電路板空間。此外，使用超低 ESR 聚合物鉭質(zhì)電容或陶瓷電容時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性也會(huì)提升。

T2 模塊可符合新一代 DSP 的建議輸出電容。結(jié)合 TurboTrans 技術(shù)嚴(yán)格的 1.5% 容差能夠維持 3% 的 VOUT 總?cè)莶睿�其中包括高速電流瞬時(shí)造成的電壓偏差。借助 TurboTrans、Smart Sync 及 1.5% 調(diào)節(jié)等功能，德州儀器的 T2 模塊不僅能夠?yàn)楦咝�能�?shù)字電路供電，也將大幅減少所需的成本與電路板空間。

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