原创电源设计小贴士45#：如何处理高di/dt 负载瞬态（第二部分）

 2012-6-4 10:51  1481 14 14 分类: 电源/新能源

作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI)

关键词：电源、双极、驱动器、电源设计小贴士、电源管理、模拟、半导体、电源设计小贴士、Robert Kollman、德州仪器、TI

在《电源设计小贴士 44》中，我们讨论了电流快速变化时一些负载的电容旁路要求。我们发现必须让低等效串联电感（ESL）电容器靠近负载，因为不到0.5 nH便可产生不可接受的电压剧增。实际上，要达到这种低电感，要求在处理器封装中放置多个旁路电容器和多个互连针脚。本文中，我们将讨论达到电源输出实际di/dt要求所需的旁路电容大小。

为了讨论方便，图1显示了电源系统的P-SPICE模型。本图由补偿电路电源、调制器（G1）和输出电容器组成。内部还包括互连电感、旁路电容负载模型、DC负载和步进负载。

首先，你需要决定是将电源和负载看作一个个单独的“黑匣子”，还是把问题当作一个完整的电源系统设计来处理。如果使用系统级方法，你可以利用负载旁路电容来降低电源输出电容，从而节约系统成本。如果使用“黑匣子”方法，你要单独测试电源和负载。不管使用哪种方法，你都要知道负载需要多大的旁路电容。

首先，估计电源和负载之间的互连电感和电阻的大小。这种互连阻抗(L_INTERCONNECT) 形成一个旁路电容器 (C_BYPASS) 低通滤波器。我们假设电源输出阻抗较低。利用该低通滤波器的特性阻抗 (Z_O)、负载步进值 (I_STEP) 和允许电压波动（dV），建立旁路滤波器要求（方程式1-2）：

方程式1

方程式 2

求解方程式2得到Z₀，然后代入方程式1，得到方程式3：

方程式 3

有趣的是，所需电容大小与负载电流的平方除以允许扰动的平方有关，因此要仔细计算这两个值。

互连电感的范围从并列电源的几十nH，到远距放置电源的数百nHs。一条较为有效的经验法则是，每英寸增加15 nH左右的互连电感。负载步进为10安培且允许扰动为30mV时，旁路要求范围为5 nH的500 uF到500 nH的50 mF。

另外，这种滤波器还降低了电源的负载电流上升速率。如果无损滤波器由一个电流方波激励，则电感电流为正弦。通过对方程式4-7中的电流波形求微分，可以计算得到上升速率。

互连电感为5 nH，旁路电容为500 uF时，10安培步进变化可形成0.2 A/uS电源电流上升速率。更大的电感可产生更低的di/dt。这些数值比系统设计人员所规定的值要小得多。

使用系统级方法时，要在最大化环路带宽的同时，最小化总电容。现在，请您思考如何使用“黑匣子”方法。你必须在没有旁路电容和最大期望旁路电容的情况下，让电源稳定。如前所述，互连电容会推高负载的旁路电容要求。使用“黑匣子”方法时，这反过来又会影响电源的电容。连接电容范围确定了电源的交叉频率范围。在电压和电流两种模式下，两者均成比例关系。你可以最大化无负载电容的交叉频率，但只要连接负载，交叉频率就会急剧下降。

表1对举例系统三个互连电感的要求电容器进行了比较。通过改变互连电感、计算负载旁路电容并设计电源的相应输出级和控制环路，得到比较数据。案例1的负载和电源并列放置；案例2电源和负载之间的互连电感大小为中等。案例3中，使用线缆连接的电源的电感极高。要求旁路的多少直接与互连电感有关。

本例中，案例 3 是互连电感的 100 倍，旁路电容也是如此。这在电源设计中形成纹波，原因是电源在有和没有旁路电容器的情况下都必须保持稳定。很明显，第一种方法更好，因为它使用的电容器最少，成本最低。案例2中，互连电感受到一定的控制，电容器数量有一定增加。案例3中，大量的互连电感带来了严重的成本问题。案例2和案例3也都有一个好处：独立的电源测试。