原创 新一代电源模块加快瞬态响应并降低电容需求

在当前高端通信系统等复杂的电路板上，设计人员日益需要为各种 dsp、fpga、asic 及微处理器提供更多电压轨。这样就对电源系统的设计提出了挑战，需要在存在由高速数字电路造成的电流瞬态情况下尽可能降低电压偏移。在采用诸如最新的千兆赫 dsp、fpga、asic 与微处理器等高级 ic时，电流瞬态中的输出电压峰值偏移问题越来越值得关注。如果内核电压 (vcc) 超过规定的容限，ic 就有可能启动复位或者产生逻辑错误。为了防止此类现象，设计人员需要密切关注他们所采用的负载点 (pol) 模块的瞬态性能。

最新的千兆赫 dsp 等数字负载要求电压偏移极低、速度极高的瞬态响应。为了达到上述目的，通常需要在 dc/dc 转换器中增加许多输出电容，用于在反馈环路做出响应之前提供保持时间。这种电源模块(包括为了满足瞬态电压容限所增加的电容)代表着完整的电源解决方案。

随着设计人员逐渐增加输出电容，瞬态幅值会有所降低。不过，电容的提高会降低电源系统的带宽。较慢的响应时间抵消了更高蓄能的优势。另外，这种方案也很可能会降低相位裕度(造成潜在的不稳定输出)，尤其对于超低等效串联电阻 (esr) 与超低 esr 电容器而言尤为如此。

电容器这些年来一直在不断发展——容量效率在不断提高。即使具有更高的电容效率，但是，如果考虑到增加的电容器，整体电源解决方案的大小仍然会超过电源模块自身的两倍。因此要求较大的 pcb 分配，而这一点有时候并不现实。此外，在加入电容器成本之后，整个电源解决方案的 bom 成本会超过电源自身成本的两倍。

更快的瞬态响应

利用 dc/dc 电源模块技术的创新，系统设计人员如今能实现更快的瞬态响应、更低的电压偏移与更低的输出电容。实例之一就是德州仪器 (ti) 的 t2 系列新一代 pth 模块(图 1)。这些器件集成了一种称为 turbotrans? 技术的新功能，它可以大幅降低客户对输出电容的需求，从而实现具体的电压偏移目标。这项专利技术的工作原理是修改模块的控制环路。它允许设计人员根据需要调节模块，从而达到特定的瞬态负载要求。采用单个外部电阻器即可实现调节。

图1 采用 turbotrans技术的 t2 系列电源模块

在高瞬态负载应用中，turbotrans 可以帮助设计人员通过降低电压偏移使输出电容降低 8 倍。这种特性可以节省电容器成本及 pcb 空间。该技术的另一种优势是提高超低 esr 电容器的稳定性。设计人员可以高枕无忧地采用最新的 oscon 电容器、钽质电容器或所有陶瓷输出电容。这样就可以利用能够承受高温无铅焊接的电容器技术。

更快速的瞬态响应与更低的输出电容

turbotrans 可以降低实现具体瞬态目标时对附加电容的需求。对于 ti 额定电流为 30a 的pth08t210w 等模块，试验证明附加电容可以降低 8 倍。图 2 举例说明了 5a/μs 速率下 10a 负载变动幅度 (load step) 所需要的 50mv 最大偏移瞬态目标。第一幅图说明所需要的最低输出电容为 470μf、turbotrans 关闭情况下的 pth08t210w。瞬态造成的电压偏移达到 150mv。为了满足 50mv 的偏移要求，设计人员总共需要 10560μf，如中间的图所示。这是不采用 turbo trans 的模块的典型结果。第三幅图表明，在采用turbotrans情况下，仅需1320μf输出电容。

不采用turbotrans时的最低输出电容 (470μf)。

在不采用turbotrans情况下需要10560μf才能满足 50mv 的偏移要求。

在采用turbotrans情况下仅需1320μf 即可满足 50mv 的偏移要求。

图2 瞬态响应与电容的对比

上述例子说明电容降低了 8 倍。当然，电容需求的降低取决于所采用的电容器类型，因为每种电容都具有特殊的寄生阻抗。不同电容器类型的 esr 与 esl 特征也各不相同。低 esr 电容组可以从 turbotrans 获得巨大的优势。

利用如 turbotrans 等先进技术，系统设计人员现在得以轻松采用成本大幅降低的 pol 模块来满足特定的瞬态负载要求。如图 3 所示，所需要做的事情只是在 t2 系列模块的 vsense 引脚和turbotrans 引脚之间连接一个电阻。参考相关产品说明书即可确定所需的电阻与电容值。

图3 连接 turbotrans 的 t2 系列电源模块

许多设计人员发现理想的情况是采用纯陶瓷或钽电容器，因为它们的尺寸较小并具有无铅焊接特性。而过去采用这些电容器会增加对某些 pol 电源模块的稳定性顾虑。借助 turbotrans 技术可以提高 t2 模块的稳定性，从而实现对瞬态负载的良好控制响应(参见图 4)。

图4 采用与不采用 turbotrans 情况下 pol模块响应 8a 瞬态负载时的输出电压偏移。

更高的性能与设计灵活性

另一种可以帮助系统设计人员处理需要复杂电源方案的 ic 的创新功能是 ti smartsync。当电源模块以不同频率运行时，频率总和以及频率差造成的拍频会导致难以实现 emi 滤波。图 5以两种信号为例，一个工作频率为 300khz，另一个为 301khz。拍频为 1khz。smartsync 允许设计人员将多个 t2 模块的开关频率同步到某一特定频率。同步后的模块可消除拍频并简化 emi 滤波。

图5 产生 1khz 拍频的两个 pol 电源模块

smartsync 允许将同步频率设置为高于或低于模块的正常自由运行频率。可将 smartsync 用于在240～400khz 频率范围内同步 t2，从而使设计能够优化模块的效率或者使频率设置避开对噪声敏感的电流，以便把开关噪声限制在特定范围之外(如接收机的 if 频率)。一起同步的 t2 模块的数量不受限制。

这种技术的其他优势包括降低输入电容。可以在不同相位角同步 t2 模块(采用外部电路)。这可以在某些应用中平衡电源电流并允许采用更小的输入电容器。

更趋完善的输出稳压

高级 dsp(如 ti 新型 tci6482)、fpga、asic 以及微处理器现在需要 3% 这样更严格的内核电压 (vcc) 容限，而相比之下以前的产品仅要求 5%。上述容限必须包括由于静态 (dc) 和动态 (ac) 工况下所有变化引起的所有输出电压偏移。为了满足上述要求，t2 电源模块设计可达到极其严格的 1.5% dc容限，包括设定点精确度、负载/线路稳压、温度变化和长期漂移。

如果 dc 容限为 1.5%，则瞬态负载引起的 ac 变化必须低于 1.5%。新型 t2 电源模块把极其紧密的 dc 稳压和 turbotrans 技术融合在一起，从而在各种工况下都能够将输出电压保持在 3%容限范围内。所有 t2 电源模块均包含差分式远程感测，其有助于在相应负载条件下保持上述高精度。

结语

新型处理系统在越来越高的电流负载条件下需要更为快速的瞬态响应时间。传统 pol 模块需要在器件的输出端增加越来越多的大型电容，这会相应增加成本和对空间的占用。最新一代的pol 模块(如 ti 的 t2 系列)允许电源设计人员采用单个外部电阻动态调节电源模块，以便满足特定瞬态负载要求。最终可以加快瞬态响应，降低输出电压偏移，同时使输出电容降低 5～8倍，可以节省电容器成本和 pcb 空间。另外，在采用超低 esr 钽电容或陶瓷电容时还可以提高系统稳定性。

t2 模块可以满足新一代 dsp 的建议输出容限要求。严格的 1.5% 容限加上 turbotrans 技术能够轻松保持 3% 的总 vout 容限，包括高速电流瞬态造成的电压偏移。利用 turbotrans、smartsync 以及 1.5% 稳压等特性，ti 的 t2 模块可以显著降低驱动高性能数字电路所需的成本和板级空间。