如何以较少电容达到更快速的瞬时响应

对于复杂的电路板，如高阶通信系统，设计人员愈来愈需要为不同的DSP、FPGA、ASIC和微处理器提供更多的电压轨。目前必须面对的电源系统设计挑战，是在高速数字电路产生电流瞬时的情况下，将电压偏差降到最低。越来越需要关注的问题是，在使用先进IC时，如最新的GHz级DSP、FPGA、ASIC和微处理器，电流瞬时期间会出现输出电压的峰值偏差。如果核心电压(VCC)超出指定的容差上限，IC必须重设，否则会发生逻辑错误。为避免发生这种状况，设计人员需要更注意所使用的负载点(point-of-load, POL)模块瞬时效能。

　　最新GHz级DSP之类的数字负载需要相当快速的瞬时响应，以及相当低的电压偏差。为达到这些目标，通常需要为DC/DC转换器加装多个输出电容，让它在回馈回路响应前有足够的维持时间。使用电源模块，并加装电容以符合电压瞬时容差后，便形成一套完整的电源解决方案。

　　由于设计人员逐渐增加输出电容，因此瞬时幅度会降低，然而，增加电容会降低电源系统频宽，高电能储存的优点会被缓慢的响应时间抵消。

　　更快速的瞬时响应

　　借由创新的DC/DC电源模块技术，系统设计人员如今能够运用较少的输出电容，达到更快速的瞬时响应及更低的电压偏差。德州仪器的T2系列新一代PTH模块(见图1)便是其中一例，这个系列的模块结合一项全新的TurboTrans技术，能够大幅减少客户为达到特定电压偏差目标而使用输出电容的需求。这项专利技术的运作方式是修改模块的控制回路，让设计人员自行调整模块，以符合特定的瞬时负载需求，只需增加一个外部电阻就可以完成调整工作。

　　

 

　　图1 采用TurboTrans的T2电源模块

　　在高瞬时负载的应用中，TurboTrans技术能够让设计人员减少高达8倍数量的输出电容，同时将电压偏差降低，因此能够节省电容成本与印刷电路板空间。这项技术的另一项优点是提升超低ESR电容的稳定性。设计人员便能够使用较新的Oscon输出电容、聚合物钽质输出电容或所有陶瓷输出电容，而完全不需顾虑稳定性问题。如此一来，便能够运用可达到高温无铅焊锡规范的电容技术。

　　更快速的瞬时响应与更低的电压偏差

　　TurboTrans技术能够减少增加电容以达到特定瞬时目标的需求。对于TI的额定30A PTH08T210W之类的模块，经证实可减少高达8倍数量的电容。图2显示改变量为5A/μs的10A负载步阶所需的50mV最大偏差瞬时目标范例。第一张图显示 PTH08T210W以470μF的最低需求输出电容运作，而且TurboTrans功能已关闭。电压偏差由于瞬时而达到150mV。为满足所需的50mV偏差值，设计人员总共需要10 560μF的输出电容，如第二张图所示，这是未使用Turbo Trans功能的模块常见的结果。第三张图则显示使用TurboTrans功能的结果，其中只需要1320μF的输出电容。

　　

 [!--empirenews.page--]图2 瞬时响应vs.电容

 

　　这个范例显示减少的电容有8倍之多。当然，减少所需的电容与使用的电容类型有关，因为每个电容类型都有各自的寄生阻抗。不同的电容类型有不同的ESR与ESL特性，低ESR电容贮电模块相当适合采用TurboTrans技术。

　　透过先进的TurboTrans技术，系统设计人员如今能够在较短的设计过程中以极低的成本使用POL模块，以达到特定的瞬时负载需求。如图3所示，这只需要在T2系列模块的VSENSE接脚与TurboTrans接脚之间接上电阻，从而就可根据数据表决定电阻的值与所需的电容数量。

　　

 

　　图3 接上TurboTrans的T2系列电源模块

　　许多设计人员发现可以使用所有陶瓷电容或聚合物钽质电容，因为这些电容的体积很小，而且可达到无铅焊锡的规范。在过去，使用这些电容会引发某些POL电源模块的稳定性疑虑。使用TurboTrans后，T2模块的稳定性会实质提升，因此可达到适切控制的瞬时负载响应(见图4)。

　　

 

　　图4 使用及不使用TurboTrans时的输出电压偏差

　　提升效能与设计弹性

　　另一方面，TI的SmartSync功能也能够协助系统设计人员使用需要复杂电源配置设定的IC。当电源模块以不同频率运作时，这些频率的总和与差异所造成的拍差频率(beat frequency)会使EMI滤波不易达成。图5显示两个信号范例，第一个信号的频率为300kHz，第二个信号的频率为301kHz。拍差频率为1kHz。SmartSync能够让设计人员将多个T2模块的切换频率同步为特定频率，经过同步的模块可消除拍差频率，并且使EMI滤波更容易达成。

　　

 

　　图5 产生1kHz拍差频率的两个POL电源模块

　　SmartSync允许将同步频率设定为高于或低于模块的一般自由运作频率。SmartSync可用来为频率范围介于240～400kHz之间的T2模块进行同步，因此能够让此设计发挥最佳化的模块效率，也可用于不让噪声敏感电路出现这类频率，以便将切换噪声保持在特定的范围之外(也就是接收器的IF频率)。可一并同步的T2模块没有数量方面的限制。

　　这项技术的另一项优点是减少输入电容。T2模块能够以不同的相位角度进行同步 (使用外部电路系统)。在某些应用中，这可平衡来源电流，并且能够使用较小的输入电容。

　　输出调节的改善

　　相较于前几代的5%容差，TI的全新TCI6482、FPGA、ASIC及微处理器等先进DSP需要更小的3%核心电压(VCC)容差，这个容差必须包含由于静态(DC)与动态(AC)等操作条件变更而造成的所有输出电压偏差。为符合这项规格，T2电源模块的设计必须达到更小的1.5% DC容差，做法包括设定点精确性、负载/线路调节、温度变化与长时间漂移。

　　如果DC容差为1.5%，则由于瞬时负载造成的AC偏差必须小于1.5%。全新的T2电源模块结合相当严格的DC调节与TurboTrans技术，可便于将任何运作条件下的输出电压维持在3%的容差内。所有T2电源模块都含有差动遥感(differential remote sense)，可协助在负载时维持这个高度精确性。