具有多個(gè)電壓軌的FPGA和DSP電源設計實(shí)例

不論依賴(lài)于傳統PWM轉換器的環(huán)路帶寬還是依賴(lài)于磁滯轉換器的固定的開(kāi)關(guān)時(shí)間，所有POL直流/直流轉換器都有有限的暫態(tài)響應時(shí)間。圖8顯示了低電流線(xiàn)性穩壓器對輸出負載電流變化(如一行引起DSP完成復雜運算的代碼)的響應。

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，為了幫助該轉換器應付階躍暫態(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顯示了負載階躍暫態(tài)過(guò)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載階躍暫態(tài)成分，以至于POL轉換器(從根本上說(shuō)，其輸入電源)被迫只能小幅度支持該階躍負載的低頻成分。例如，如果FPGA或DSP產(chǎn)生1000 A/μs的負載階躍，由于解耦網(wǎng)絡(luò )對該暫態(tài)的抑制作用，該轉換器被迫只能對1A/μs的暫態(tài)做出反應。

小電容(在幾皮法到1μF的范圍)處理負載階躍的高頻成分。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(jiàn)方法是目標阻抗方法，參考文獻4全面介紹了該方法。該方法要求設計者知道被供電器件的負載階躍暫態(tài)的最壞情況(如在0.5 μs從200mA上升到2.2A或4A/μs階躍的持續時(shí)間為10μs)并對POL轉換器的暫態(tài)響應能力有所了解。

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

對大多數FPGA和DSP應用來(lái)說(shuō)，負載階躍暫態(tài)的最壞情況大多是未知的，因而，使用經(jīng)驗法則來(lái)設計解耦網(wǎng)絡(luò )更為簡(jiǎn)單一些。例如，常常根據數字IC所使用的電源引腳總數(或根據每個(gè)部分所使用的電源引腳數)按某個(gè)比例來(lái)放置各類(lèi)電容(高、中、低頻)。這種解耦網(wǎng)絡(luò )設計方法是有效的，但趨向于過(guò)設計，沒(méi)有充分利用線(xiàn)性穩壓器的或開(kāi)關(guān)轉換器的暫態(tài)響應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)驗法則相互獨立地完成解耦網(wǎng)絡(luò )和POL轉換器的設計。但這種方法存在一個(gè)風(fēng)險，POL轉換器可能會(huì )因為解耦網(wǎng)絡(luò )的附加電容而變得不穩定，因而需要對該轉換器在輸出端的總電容進(jìn)行補償。TI公司在power.ti.com/swift網(wǎng)址提供的參考文件和設計軟件可以對轉換器的設計和補償提供幫助。人為地把一個(gè)負載階躍暫態(tài)加到轉換器的輸出端并觀(guān)察因該轉換器響應該暫態(tài)而產(chǎn)生的輸出電壓振鈴(振蕩)是另一種確定轉換器穩定性的方式。作為一個(gè)經(jīng)驗法則，如果該轉換器在進(jìn)入穩態(tài)之前振蕩三次以上，則認為系統瀕臨不穩定(欠阻尼)。如果響應較慢且沒(méi)有振鈴或超調，則可認為系統是非常穩定的(過(guò)阻尼)。

PC處理器可以發(fā)生多個(gè)在1000A/μs的范圍內的負載階躍暫態(tài)，所以既需要保證POL轉換器的暫態(tài)過(guò)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母板制造商現在使用目標阻抗方法(或類(lèi)似方法)來(lái)減少電容的數量和充分利用直流/直流轉換器的暫態(tài)能力。與PC處理器相比，目前單獨的FPGA和DSP應用的功率和開(kāi)關(guān)速度均較低。所以，除非FPGA或DSP產(chǎn)生類(lèi)似于PC處理器的負載階躍或解耦網(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)驗法則是在設計的最優(yōu)度和快速上市之間進(jìn)行合理的折衷。

本文小結

對于多軌應用，要在線(xiàn)性穩壓器和各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)轉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(wèn)題。另外，為了在負載階躍暫態(tài)過(guò)程中保持調節，轉換器很可能需要借助于解耦電容。