新一代電源模塊以較少電容達到更快速的瞬時響應

2011年06月07日14:08:29 本網站我要評論(2)字號：T | T | T

作者：Geoff Jones and Brian Narveson，德州儀器

對于復雜的電路板，例如現今的高階通訊系統，設計人員愈來愈需要為不同的 DSP、FPGA、ASIC 和微處理器提供更多的電壓軌。目前必須面對的電源系統設計挑戰，是在高速數字電路產生電流瞬時的情況下，將電壓偏差降到較低。越來越需要關注的問題是，在使用先進 IC 時，例如較新的 GHz級 DSP、FPGA、ASIC 和微處理器，電流瞬時期間會出現輸出電壓的峰值偏差。如果核心電壓 (VCC) 超出指定的容差上限，IC 必須重設，否則會發生邏輯錯誤。為避免發生這種狀況，設計人員需要更注意所使用的負載點 (point-of-load, POL) 模塊瞬時效能。

較新 GHz級 DSP 之類的數字負載需要相當快速的瞬時響應，以及相當低的電壓偏差。為達到這些目標，通常需要為 DC/DC 轉換器加裝多個輸出電容，讓它在回饋回路響應前有足夠的維持時間。使用電源模塊，并加裝電容以符合電壓瞬時容差后，便形成一套完整的電源解決方案。

由于設計人員逐漸增加輸出電容，因此瞬時幅度會降低，然而，增加電容會降低電源系統頻寬，高電能儲存的優點會被緩慢的響應時間抵消。這個做法也很有可能減少相位邊限 (導致潛在性的不穩定輸出)，尤其對于極低等效串聯電阻 (ESR) 與超低 ESR 電容更是如此。

電容經過多年的演進，在容積方面的效能持續提升。即使容積效能有所提升，在增加電容后，整個電源解決方案的大小往往會是單獨一個電源模塊的兩倍以上。這需要大型的印刷電路板配置，不過這可能并不是經常都能夠辦到。除此之外，在增加電容的成本后，整個電源解決方案的組件成本可能是單獨電源供應器的兩倍以上。

更快速的瞬時響應

借由創新的 DC/DC 電源模塊技術，系統設計人員如今能夠運用較少的輸出電容，達到更快速的瞬時響應及更低的電壓偏差。德州儀器的 T2 系列新一代 PTH 模塊 (圖 1) 便是其中一例，這個系列的模塊結合一項全新的 TurboTrans? 技術，能夠大幅減少客戶為達到特定電壓偏差目標而使用輸出電容的需求。這項專利技術的運作方式是修改模塊的控制回路，這可讓設計人員自行調整模塊，以符合特定的瞬時負載需求，只需增加一個外部電阻就可以完成調整工作。

圖 1. 采用 TurboTrans? 的 T2 電源模塊

在高瞬時負載的應用中，TurboTrans 技術能夠讓設計人員減少高達八倍數量的輸出電容，同時將電壓偏差降低，因此能夠節省電容成本與印刷電路板空間。這項技術的另一項優點是提升超低 ESR 電容的穩定性。設計人員便能夠使用較新的 Oscon 輸出電容、聚合物鉭質輸出電容或所有陶瓷輸出電容，而完全不需顧慮穩定性問題。如此一來，便能夠運用可達到高溫無鉛焊錫規范的電容技術。

更快速的瞬時響應與更低的電壓偏差

TurboTrans 技術能夠減少增加電容以達到特定瞬時目標的需求。對于 TI 的額定 30A PTH08T210W 之類的模塊，經證實可減少高達八倍數量的電容。圖 2 顯示改變量為 5A/μs 的 10A 負載步階所需的 50mV 較大偏差瞬時目標范例。第一張圖顯示 PTH08T210W 以 470μF 的較低需求輸出電容運作，而且 TurboTrans 功能已關閉。電壓偏差由于瞬時而達到 150mV。為滿足所需的 50mV 偏差值，設計人員總共需要 10,560μF 的輸出電容，如第二張圖所示，這是未使用 Turbo Trans 功能的模塊常見的結果。第三張圖則顯示使用 TurboTrans 功能的結果，其中只需要 1320μF 的輸出電容。

未使用 TurboTrans 功能的較低輸出電容 (470μF)。

未使用 TurboTrans 功能而需要 10560μF 輸出電容來達到 50mV 偏差需求。

使用 TurboTrans 功能而以 1320μF 輸出電容達到 50mV 偏差需求。

圖 2. 瞬時響應 vs. 電容

這個范例顯示減少的電容有八倍之多。當然，減少所需的電容與使用的電容類型有關，因為每個電容類型都有各自的寄生阻抗。不同的電容類型有不同的 ESR 與 ESL 特性，低 ESR 電容貯電模塊相當適合采用 TurboTrans 技術。

透過先進的 TurboTrans 技術，系統設計人員如今能夠在較短的設計過程中以極低的成本使用 POL 模塊，以達到特定的瞬時負載需求。如圖 3 所示，這只需要在 T2 系列模塊的 VSENSE 接腳與 TurboTrans 接腳之間接上電阻，而從數據表便能夠決定電阻的值與所需的電容數量。

圖 3. 接上 TurboTrans 的 T2 系列電源模塊

許多設計人員發現可以使用所有陶瓷電容或聚合物鉭質電容，因為這些電容的體積很小，而且可達到無鉛焊錫的規范。在過去，使用這些電容會引發某些 POL 電源模塊的穩定性疑慮。使用 TurboTrans 后，T2 模塊的穩定性會實質提升，因此可達到適切控制的瞬時負載響應 (見圖 4)。

圖 4. 使用及不使用 TurboTrans 達到 8A 瞬時負載響應的 POL 模塊所呈現的輸出電壓偏差。

提升效能與設計彈性

另一方面，TI 的創新 SmartSync 功能也能夠協助系統設計人員使用需要復雜電源配置設定的 IC。當電源模塊以不同頻率運作時，這些頻率的總和與差異所造成的拍差頻率(beat frequency)會使 EMI 濾波不易達成。圖 5 顯示兩個訊號范例，第一個訊號的頻率為 300 kHz，第二個訊號的頻率為 301 kHz。拍差頻率為 1 kHz。SmartSync 能夠讓設計人員將多個 T2 模塊的切換頻率同步為特定頻率，經過同步的模塊可消除拍差頻率，并且使 EMI 濾波更容易達成。

圖 5. 產生 1 kHz 拍差頻率的兩個 POL 電源模塊。

SmartSync 允許將同步頻率設定為高于或低于模塊的一般自由運作頻率。SmartSync 可用來為頻率范圍介于 240 到 400 kHz 之間的 T2 模塊進行同步，因此能夠讓此設計發揮較佳化的模塊效率，也可用于不讓噪聲敏感電路出現這類頻率，以便將切換噪聲保持在特定的范圍之外(也就是接收器的 IF 頻率)。可一并同步的 T2 模塊沒有數量方面的限制。

這項技術的另一項優點是減少輸入電容。T2 模塊能夠以不同的相位角度進行同步 (使用外部電路系統)。在某些應用中，這可平衡來源電流，并且能夠使用較小的輸入電容。

輸出調節的改善

相較于前幾代的 5% 容差，TI 的全新 TCI6482、FPGA、ASIC 及微處理器等先進 DSP 如今需要更小的 3% 核心電壓 (VCC) 容差，這個容差必須包含由于靜態 (DC) 與動態 (AC) 等操作條件變更而造成的所有輸出電壓偏差。為符合這項規格，T2 電源模塊的設計必須達到更小的 1.5% DC 容差，作法包括設定點精確性、負載/線路調節、溫度變化與長時間漂移。

如果 DC 容差為 1.5%，則由于瞬時負載造成的 AC 偏差必須小于 1.5%。全新的 T2 電源模塊結合相當嚴格的 DC 調節與 TurboTrans 技術，可便于將任何運作條件下的輸出電壓維持在 3% 的容差內。所有 T2 電源模塊都含有差動遙感(differential remote sense)，可協助在負載時維持這個高度精確性。

摘要

較新的處理系統目前都需要逐漸升高的電流負載來達到更快速的瞬時響應。一般的 POL 模塊需要在裝置的輸出端增加大量電容，這意味著更高的電容成本與較大的印刷電路板空間。TI 的 T2 系列等較新一代 POL 模塊能夠讓電源供應設計人員只需使用單一外部電阻，就能大幅地調整模塊，以達到特定的瞬時負載需求。采用此類模塊，較終可達到更快速的瞬時響應及更低的輸出電壓偏差，同時可減少五倍到八倍數量的電容，以節省電容成本與印刷電路板空間。此外，使用超低 ESR 聚合物鉭質電容或陶瓷電容時的系統穩定性也會提升。

T2 模塊可符合新一代 DSP 的建議輸出電容。結合 TurboTrans 技術嚴格的 1.5% 容差能夠維持 3% 的 VOUT 總容差，其中包括高速電流瞬時造成的電壓偏差。借助 TurboTrans、Smart Sync 及 1.5% 調節等功能，德州儀器的 T2 模塊不僅能夠為高效能數字電路供電，也將大幅減少所需的成本與電路板空間。

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更快速的瞬時響應與更低的電壓偏差

提升效能與設計彈性

輸出調節的改善

摘要

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