在《如何處理高di/dt負載瞬態(tài)（上）》中，我們討論了電流快速變化時(shí)一些負載的電容旁路要求。我們發(fā)現必須讓低等效串聯(lián)電感（ESL）電容器靠近負載，因為不到0.5 nH便可產(chǎn)生不可接受的電壓劇增。實(shí)際上，要達到這種低電感，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顯示了電源系統的P-SPICE模型。本圖由補償電路電源、調制器（G1）和輸出電容器組成。內部還包括互連電感、旁路電容負載模型、DC負載和步進(jìn)負載。
圖1:簡(jiǎn)易P-SPICE模型輔助系統設計
首先，你需要決定是將電源和負載看作一個(gè)個(gè)單獨的“黑匣子”，還是把問(wèn)題當作一個(gè)完整的電源系統設計來(lái)處理。如果使用系統級方法，你可以利用負載旁路電容來(lái)降低電源輸出電容，從而節約系統成本。如果使用“黑匣子”方法，你要單獨測試電源和負載。不管使用哪種方法，你都要知道負載需要多大的旁路電容。
首先，估計電源和負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。我們假設電源輸出阻抗較低。利用該低通濾波器的特性阻抗 (ZO)、負載步進(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，所需電容大小與負載電流的平方除以允許擾動(dòng)的平方有關(guān)，因此要仔細計算這兩個(gè)值。
互連電感的范圍從并列電源的幾十nH，到遠距放置電源的數百nHs。一條較為有效的經(jīng)驗法則是，每英寸增加15 nH左右的互連電感。負載步進(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，則電感電流為正弦。通過(guò)對方程式4-7中的電流波形求微分，可以計算得到上升速率。
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。這些數值比系統設計人員所規定的值要小得多。
使用系統級方法時(shí)，要在最大化環(huán)路帶寬的同時(shí)，最小化總電容�，F在，請您思考如何使用“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，讓電源穩定。如前所述，互連電容會(huì )推高負載的旁路電容要求。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)負載電容的交叉頻率，但只要連接負載，交叉頻率就會(huì )急劇下降。
表1對舉例系統三個(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、計算負載旁路電容并設計電源的相應輸出級和控制環(huán)路，得到比較數據。案例1的負載和電源并列放置；案例2電源和負載之間的互連電感大小為中等。案例3中，使用線(xiàn)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。這在電源設計中形成紋波，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定。很明顯，第一種方法更好，因為它使用的電容器最少，成本最低。案例2中，互連電感受到一定的控制，電容器數量有一定增加。案例3中，大量的互連電感帶來(lái)了嚴重的成本問(wèn)題。案例2和案例3也都有一個(gè)好處：獨立的電源測試。
表1:利用系統級方法降低電源系統成本
圖2對小和大互連電感的負載瞬態(tài)期間的輸出電壓變化模擬情況進(jìn)行了比較。小電感響應快速漸次減弱，而大電感則并非如此，花費了較長(cháng)的時(shí)間才穩定下來(lái)。這是由于特性阻抗更高以及諧振頻率更低。另外，如果負載電流在該諧振頻率有規律地跳動(dòng)，則會(huì )出現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負載要求小心謹慎地進(jìn)行旁路設計，以保持電源動(dòng)態(tài)調節能力。在負載和旁路電容器以及旁路電容器和負載之間，必須使用低電感互連。系統級方法可實(shí)現一種成本最低的解決方案。為了系統測試方便，許多系統工程師都忽略了這種通過(guò)降低電源電容實(shí)現成本節省的解決方案。
以后，我們將對一些根據經(jīng)驗所得的結論進(jìn)行討論，以確定同步降壓結構的最佳柵極驅動(dòng)計時(shí)方案，敬請期待。 |
