在《如何處理高di/dt負(fù)載瞬態(tài)（上）》中，我們討論了電流快速變化時(shí)一些負(fù)載的電容旁路要求。我們發(fā)現(xiàn)必須讓低等效串聯(lián)電感（ESL）電容器靠近負(fù)載，因?yàn)椴坏?.5 nH便可產(chǎn)生不可接受的電壓劇增。實(shí)際上，要達(dá)到這種低電感，要求在處理器封裝中放置多個(gè)旁路電容器和多個(gè)互連針腳。本文中，我們將討論達(dá)到電源輸出實(shí)際di/dt要求所需的旁路電容大小。
為了討論方便，圖1顯示了電源系統(tǒng)的P-SPICE模型。本圖由補(bǔ)償電路電源、調(diào)制器（G1）和輸出電容器組成。內(nèi)部還包括互連電感、旁路電容負(fù)載模型、DC負(fù)載和步進(jìn)負(fù)載。
圖1:簡(jiǎn)易P-SPICE模型輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)
首先，你需要決定是將電源和負(fù)載看作一個(gè)個(gè)單獨(dú)的“黑匣子”，還是把問(wèn)題當(dāng)作一個(gè)完整的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)處理。如果使用系統(tǒng)級(jí)方法，你可以利用負(fù)載旁路電容來(lái)降低電源輸出電容，從而節(jié)約系統(tǒng)成本。如果使用“黑匣子”方法，你要單獨(dú)測(cè)試電源和負(fù)載。不管使用哪種方法，你都要知道負(fù)載需要多大的旁路電容。
首先，估計(jì)電源和負(fù)載之間的互連電感和電阻的大小。這種互連阻抗(LINTERCONNECT) 形成一個(gè)旁路電容器 (CBYPASS) 低通濾波器。我們假設(shè)電源輸出阻抗較低。利用該低通濾波器的特性阻抗 (ZO)、負(fù)載步進(jìn)值 (ISTEP) 和允許電壓波動(dòng)（dV），建立旁路濾波器要求（方程式1-2）：
有趣的是，所需電容大小與負(fù)載電流的平方除以允許擾動(dòng)的平方有關(guān)，因此要仔細(xì)計(jì)算這兩個(gè)值。
互連電感的范圍從并列電源的幾十nH，到遠(yuǎn)距放置電源的數(shù)百nHs。一條較為有效的經(jīng)驗(yàn)法則是，每英寸增加15 nH左右的互連電感。負(fù)載步進(jìn)為10安培且允許擾動(dòng)為30mV時(shí)，旁路要求范圍為5 nH的500 uF到500 nH的50 mF。
另外，這種濾波器還降低了電源的負(fù)載電流上升速率。如果無(wú)損濾波器由一個(gè)電流方波激勵(lì)，則電感電流為正弦。通過(guò)對(duì)方程式4-7中的電流波形求微分，可以計(jì)算得到上升速率。
互連電感為5 nH，旁路電容為500 uF時(shí)，10安培步進(jìn)變化可形成0.2 A/uS電源電流上升速率。更大的電感可產(chǎn)生更低的di/dt。這些數(shù)值比系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所規(guī)定的值要小得多。
使用系統(tǒng)級(jí)方法時(shí)，要在最大化環(huán)路帶寬的同時(shí)，最小化總電容。現(xiàn)在，請(qǐng)您思考如何使用“黑匣子”方法。你必須在沒(méi)有旁路電容和最大期望旁路電容的情況下，讓電源穩(wěn)定。如前所述，互連電容會(huì)推高負(fù)載的旁路電容要求。使用“黑匣子”方法時(shí)，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響電源的電容。連接電容范圍確定了電源的交叉頻率范圍。在電壓和電流兩種模式下，兩者均成比例關(guān)系。你可以最大化無(wú)負(fù)載電容的交叉頻率，但只要連接負(fù)載，交叉頻率就會(huì)急劇下降。
表1對(duì)舉例系統(tǒng)三個(gè)互連電感的要求電容器進(jìn)行了比較。通過(guò)改變互連電感、計(jì)算負(fù)載旁路電容并設(shè)計(jì)電源的相應(yīng)輸出級(jí)和控制環(huán)路，得到比較數(shù)據(jù)。案例1的負(fù)載和電源并列放置；案例2電源和負(fù)載之間的互連電感大小為中等。案例3中，使用線纜連接的電源的電感極高。要求旁路的多少直接與互連電感有關(guān)。
本例中，案例3是互連電感的100倍，旁路電容也是如此。這在電源設(shè)計(jì)中形成紋波，原因是電源在有和沒(méi)有旁路電容器的情況下都必須保持穩(wěn)定。很明顯，第一種方法更好，因?yàn)樗褂玫碾娙萜髯钌伲杀咀畹汀０咐?中，互連電感受到一定的控制，電容器數(shù)量有一定增加。案例3中，大量的互連電感帶來(lái)了嚴(yán)重的成本問(wèn)題。案例2和案例3也都有一個(gè)好處：獨(dú)立的電源測(cè)試。
表1:利用系統(tǒng)級(jí)方法降低電源系統(tǒng)成本
圖2對(duì)小和大互連電感的負(fù)載瞬態(tài)期間的輸出電壓變化模擬情況進(jìn)行了比較。小電感響應(yīng)快速漸次減弱，而大電感則并非如此，花費(fèi)了較長(zhǎng)的時(shí)間才穩(wěn)定下來(lái)。這是由于特性阻抗更高以及諧振頻率更低。另外，如果負(fù)載電流在該諧振頻率有規(guī)律地跳動(dòng)，則會(huì)出現(xiàn)極寬且具破壞性的電壓變化。
圖2:電壓振鈴成為大互連電感的一個(gè)問(wèn)題
總之，高di/dt負(fù)載要求小心謹(jǐn)慎地進(jìn)行旁路設(shè)計(jì)，以保持電源動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。在負(fù)載和旁路電容器以及旁路電容器和負(fù)載之間，必須使用低電感互連。系統(tǒng)級(jí)方法可實(shí)現(xiàn)一種成本最低的解決方案。為了系統(tǒng)測(cè)試方便，許多系統(tǒng)工程師都忽略了這種通過(guò)降低電源電容實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省的解決方案。
以后，我們將對(duì)一些根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得的結(jié)論進(jìn)行討論，以確定同步降壓結(jié)構(gòu)的最佳柵極驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)方案，敬請(qǐng)期待。 |
