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针对数字高性能负载应用的智能全集成数字电源解决方案(上)

张伟超?? Altera电源产品中国区高级业务经理?? 2014年12月11日 ?? 收藏0

需要满足更严苛的电气性能

电气系统节能在全球的势头正在增强,就产生和消耗而言,成本节省太具有吸引力了。迎接这一挑战的是电源管理IC供应商,他们正在采用新的设计方法,以在其产品中对数十安培负载电流实现高效率转换。同时,他们还在IC置于备用或者停机模式的同时实现更低的静态电流。

设计工程师需要应对的挑战是,满足所有系统内核中不断增加的高性能DSP和ASIC电气性能要求。主要性能问题包括电压稳压、电流瞬态响应和噪声。

稳压和电流瞬态响应密切相关。为了在解决方案尺寸越来越小且功耗越来越低的情况下获得更高的性能,要使用所需电压也不断降低的更小晶体管工艺来制造数字半导体。现在低于1V的内核电压要求将成为标准的电压要求。除了低压以外,对电压容差的要求也越来越高。目前常用的标准是:线路(输入电压变化)、负载(负载电流微小变化)、时间、温度和电流瞬变等造成的总电压容差不超过3%。这样,电源设计人员就只有30mV的电压空间来满足所有的数字系统要求。线路、负载、时间和温度等DC参数还要占用大约一半(15mV)的容差预算。剩余的15mV则用于处理计算或数据传输负载带来的突发电流变化(1个至3个时钟周期)。

如果内核电压超过规定容差极限,那么数字IC可能会开始复位,否则就会产生逻辑错误。为了防止这一情况的发生,设计人员需要特别注意所使用的POL模块的瞬态性能。数字负载(例如最新的Altera Arria10)要求极为快速的瞬态响应和极低的电压偏离。为了达到这些目标,许多附加的输出电容器通常会被添加到DC/DC转换器中,以提供直到其反馈环路能够响应的保持时间。从而构成完整的电源解决方案。

多年来,电容技术不断发展,容积效率不断提高,即便使用更高的容积效率,整个电源解决方案也会超过单个电源模块体积的两倍。这就要求占用PCB较大的空间。然而,在今天更为小型化的系统中通常不能提供这样大的空间。另外,在计入电容器成本的情况下,电源材料的整体成本也会超出电源模块成本许多。

随着DC/DC电源模块技术的不断创新,系统设计人员现在可以在使用更少输出电容的同时,获得更快的瞬态响应、更小的电压偏离。Altera推出的更新版本Cyclone V SoC的电源参考设计,便是一个典型的例子。这些高度集成的电源解决方案可以使得输出电容的数量减少一半(10个减为5个),极大程度地帮助用户简化了电源设计难度和成本。影响POL转换器性能的另一个决定性因素是噪声。开关式POL运行在不同频率上并共享一个共有输入总线时,由此产生的不同频率及其差异会造成拍频问题,对EMI滤波造成困难。Enpirion的EM1130模块具有Sync同步特性,该特性使得设计人员能够将多个EM1130模块的开关频率与特定频率同步,从而消除拍频,并使得EMI滤波更加轻松,而同时又不会增加任何的系统额外成本。

图2 降低输出电容的数量简化电源设计尺寸和成本
图2 降低输出电容的数量简化电源设计尺寸和成本

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续篇:针对数字高性能负载应用的智能全集成数字电源解决方案(下):数字电源的发展趋势


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数字电源? POL? PFC? PowerSoC?

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