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用不到5秒的时间设计出输出阻抗完全平坦的电压调节器模块

Steve Sandler?? 2015年10月28日 ?? 收藏2

最终模型和仿真

最终仿真模型可以做到控制环路稳定性、小信号交流阻抗以及大小信号瞬态响应结果的仿真(见图5)。

图5:简化后的状态空间平均模型显示了误差放大器电路、功率级跨导和输出电容。
图5:简化后的状态空间平均模型显示了误差放大器电路、功率级跨导和输出电容。

对原始评估板设计(蓝色)和平坦阻抗设计(红色)仿真得到的阻抗如图6所示。结果阻抗是14mΩ,跟期望的一样相当平坦。

图6:修改后的VRM阻抗仿真显示出非常平坦的响应和1.8nH的超额电感。用于仿真目的的简单VRM模型就是14mΩ加1.8nH。
图6:修改后的VRM阻抗仿真显示出非常平坦的响应和1.8nH的超额电感。用于仿真目的的简单VRM模型就是14mΩ加1.8nH。

测量得到的阻抗也相当平坦,均在理想的14mΩ阻抗值附近。低频值可以用电阻R10进行微调,而60kHz附近的少许阻抗峰可以用C5进行微调。在250kHz处的少许凹陷是由于ESR稍小引起的。可以使用ESR稍高一点的电容改善这个范围内的平坦度。这里显示的平坦度对几乎所有电源分配网络(PDN)应用来说都足够了。

图7:双端口阻抗测量结果显示 在14mΩ和1.8nH电感时具有平坦响应。这个电感值是从10MHz时的112mΩ计算得到的。
图7:双端口阻抗测量结果显示 在14mΩ和1.8nH电感时具有平坦响应。这个电感值是从10MHz时的112mΩ计算得到的。

图18

因此许多信号完整性(SI)仿真器要求的简单L-R模型是13mΩ和1.8nH。减小这个电感的一种方法是并联多个电容。电容的电感值基本上独立于电容值,更多的与外壳尺寸有关。将两个相同系列的150uF 35mΩ电容并联在一起可以将电感值减小到约1nH,如果用100uF 45mΩ的电容则可以得到700pH的电感。而且并联较小的电容成本通常也不高,只是需要占用更多的PCB面积。

一般还要用去耦电容来减小使用点的电感,但这种去耦电路并不是VRM的典型部分。

将网络分析仪端口1的电缆移动到50Ω任意波形发生器(AWG)输出端,将分析仪端口2的电缆移动到50Ω通道示波器输入端,即可将双端口阻抗测量转换到时域进行。图8显示了平均阶跃响应(红色)和开关纹波(黄色)。方形部分确认了平坦的阻抗特性。边缘有点圆是因为ESR有点低造成的(见图8)。

图8:通过将网络分析仪替换为一条AWG电缆和一台示波器就可以得到时域响应。红色代表平均响应,纹波包含在黄色轨迹中。
图8:通过将网络分析仪替换为一条AWG电缆和一台示波器就可以得到时域响应。红色代表平均响应,纹波包含在黄色轨迹中。

本文小结

我们成功地通过修改评估板设计产生了想要的14mΩ平坦阻抗。虽然解释这个过程花的时间超过了5s,但这个过程很容易自动化,只需把设计要求作为输入,并允许其它项在仿真器中或使用电子表格自动确定。表1所示的电子表格可以根据设计输入计算每个参数。每个结论都可以被覆盖。举例来说,计算得到的目标阻抗最大值是33mΩ,这也被输入进可以被覆盖的设定目标阻抗单元格。

表1所示的电子表格接受绿色的输入设计参数,然后计算剩余的参数。

表1
表1

最小电容和最大电容限值也是计算出来的,而最终入选值还可供选择,选定值再用于剩下的计算。这些覆盖值也允许其它输入,包括PGFS和输出电感。重要的是,这些决定和选择要按此顺序进行。

备注:这份电子表格将在2016年1月份举行的DesignCon 2016上作为电源完整性训练营的一部分加以提供和解释。

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《电子技术设计》11月刊版权所有,谢绝转载。


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电压调节器? 电源?

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