新一代電源模塊加快瞬態(tài)響應并降低電容需求

Next generation Power Modules Offer Fast Transient Response with Reduced Capacitance 
在當前高端通信系統等復雜的電路板上，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。這樣就對電源系統的設計提出了挑戰，需要在存在由高速數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(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。如果內核電壓 (VCC) 超過(guò)規定的容限，IC 就有可能啟動(dòng)復位或者產(chǎn)生邏輯錯誤。為了防止此類(lèi)現象，設計人員需要密切關(guān)注他們所采用的負載點(diǎn) (POL) 模塊的瞬態(tài)性能。
最新的千兆赫 DSP 等數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(shí)間。這種電源模塊（包括為了滿(mǎn)足瞬態(tài)電壓容限所增加的電容）代表著(zhù)完整的電源解決方案。
隨著(zhù)設計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 )降低電源系統的帶寬。較慢的響應時(shí)間抵消了更高蓄能的優(yōu)勢。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(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
利用 DC／DC 電源模塊技術(shù)的創(chuàng )新，系統設計人員如今能實(shí)現更快的瞬態(tài)響應、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(chēng)為 TurboTrans™ 技術(shù)的新功能，它可以大幅降低客戶(hù)對輸出電容的需求，從而實(shí)現具體的電壓偏移目標。這項專(zhuān)利技術(shù)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需要調節模塊，從而達到特定的瞬態(tài)負載要求。采用單個(gè)外部電阻器即可實(shí)現調節。

 
圖1  采用 TurboTrans技術(shù)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(guò)降低電壓偏移使輸出電容降低 8 倍。這種特性可以節省電容器成本及 PCB 空間。該技術(shù)的另一種優(yōu)勢是提高超低 ESR 電容器的穩定性。設計人員可以高枕無(wú)憂(yōu)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無(wú)鉛焊接的電容器技術(shù)。

更快速的瞬態(tài)響應與更低的輸出電容
TurboTrans 可以降低實(shí)現具體瞬態(tài)目標時(shí)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(shuō)明了 5A/µs 速率下 10A 負載變動(dòng)幅度 (load step) 所需要的 50mv 最大偏移瞬態(tài)目標。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)造成的電壓偏移達到 150mV。為了滿(mǎn)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(shí)的最低輸出電容 (470µF)。
在不采用TurboTrans情況下需要10560µF才能滿(mǎn)足 50mV 的偏移要求。
在采用TurboTrans情況下僅需1320µF 即可滿(mǎn)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(shuō)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(lèi)型，因為每種電容都具有特殊的寄生阻抗。不同電容器類(lèi)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(jìn)技術(shù)，系統設計人員現在得以輕松采用成本大幅降低的 POL 模塊來(lái)滿(mǎn)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(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
許多設計人員發(fā)現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(wú)鉛焊接特性。而過(guò)去采用這些電容器會(huì )增加對某些 POL 電源模塊的穩定性顧慮。借助 TurboTrans 技術(shù)可以提高 T2 模塊的穩定性，從而實(shí)現對瞬態(tài)負載的良好控制響應（參見(jiàn)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(shí)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(shí)，頻率總和以及頻率差造成的拍頻會(huì )導致難以實(shí)現 EMI 濾波。圖 5以?xún)煞N信號為例，一個(gè)工作頻率為 300kHz，另一個(gè)為 301kHz。拍頻為 1kHz。SmartSync 允許設計人員將多個(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 允許將同步頻率設置為高于或低于模塊的正常自由運行頻率?？蓪?nbsp;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(kāi)對噪聲敏感的電流，以便把開(kāi)關(guān)噪聲限制在特定范圍之外（如接收機的 IF 頻率）。一起同步的 T2 模塊的數量不受限制。
這種技術(shù)的其他優(yōu)勢包括降低輸入電容?？梢栽诓煌辔唤峭?nbsp;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。

更趨完善的輸出穩壓
高級 DSP（如 TI 新型 TCI6482）、FPGA、ASIC 以及微處理器現在需要 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(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(mǎn)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(diǎn)精確度、負載／線(xiàn)路穩壓、溫度變化和長(cháng)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 穩壓和 TurboTrans 技術(shù)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(yǔ)
新型處理系統在越來(lái)越高的電流負載條件下需要更為快速的瞬態(tài)響應時(shí)間。傳統 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(gè)外部電阻動(dòng)態(tài)調節電源模塊，以便滿(mǎn)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(shí)使輸出電容降低 5～8倍，可以節省電容器成本和 PCB 空間。另外，在采用超低 ESR 鉭電容或陶瓷電容時(shí)還可以提高系統穩定性。 
T2 模塊可以滿(mǎn)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(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％ 穩壓等特性，TI 的 T2 模塊可以顯著(zhù)降低驅動(dòng)高性能數字電路所需的成本和板級空間。