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(多图) 新一代电源模块以较少电容达到更快速的瞬时响应

德州仪器公司 Geoff Jones Brian Narve?? 2009年09月08日 ?? 收藏0

  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。

采用TurboTrans的T2电源模块

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。

 瞬时响应vs.电容

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。

接上TurboTrans的T2系列电源模块

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)。

使用及不使用TurboTrans时的输出电压偏差

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。

产生1kHz拍差频率的两个POL电源模块

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。


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