改善電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能的設(shè)計(jì)方法

電子電路一般都需要一個(gè)即使在負(fù)載電流發(fā)生瞬變時(shí),輸出電壓也能維持在特定容差范圍內(nèi)的電壓源,以確保電路的正常工作。設(shè)計(jì)工程師必須在理解瞬態(tài)響應(yīng)原理的基礎(chǔ)上,利用正確的設(shè)計(jì)思路才能以較低的成本改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)性能! 

瞬態(tài)定義為“僅維持一段短暫時(shí)間的事物”.但是,隨著微處理器工作速度和電流需求量的提高,當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí),穩(wěn)壓器在指定范圍內(nèi)保持輸出電壓的能力成為一個(gè)廣泛存在的困擾。典型CPU芯片的電源規(guī)范要求,即使負(fù)載電流在幾百納秒內(nèi)發(fā)生20或30A的變化,供電電壓仍然要保持穩(wěn)定,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)性能指標(biāo)絕非易事! 

瞬態(tài)響應(yīng)可能是電子電壓調(diào)節(jié)里最難理解的概念之一。在過(guò)去曾有一個(gè)曾經(jīng)有人做出一個(gè)完全錯(cuò)誤的陳述:“我們新推出的穩(wěn)壓器速度之快甚至可以使你不再需要電容!笔聦(shí)相反,當(dāng)負(fù)載瞬變時(shí)(不管這個(gè)穩(wěn)壓器有多快),你始終需要電容! 

總之,為了掌握在哪里投入成本才能提高系統(tǒng)性能和在不犧牲瞬態(tài)的情況下怎樣節(jié)省成本,你需要理解瞬態(tài)響應(yīng)是什么以及它的工作原理! 

電壓調(diào)節(jié)  

幾乎所有的電子電路都需要一個(gè)穩(wěn)定的電壓源,它維持在特定容差范圍內(nèi),以確保正確運(yùn)行(典型的CPU電路只允許電壓源與額定電壓的最大偏離不超過(guò)±3%)。該固定電壓由某些種類的穩(wěn)壓器提供。通過(guò)電阻分壓器自動(dòng)檢測(cè)輸出電壓,誤差放大器不斷調(diào)整電流源從而維持輸出電壓穩(wěn)定在額定電壓上! 

穩(wěn)壓器必須能夠在負(fù)載電流需求量從零上升到滿負(fù)荷(大約為20A或更多)時(shí),保持輸出電壓恒定。當(dāng)負(fù)載電流需求量緩慢變化時(shí)很容易做到這一點(diǎn),但是,如果負(fù)載電流“階躍”足夠快的話,穩(wěn)壓器將無(wú)法提供完全穩(wěn)定的輸出電壓! 

理解負(fù)載瞬變的關(guān)鍵點(diǎn):  

1. 穩(wěn)壓器擔(dān)當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的壓控電流源(通過(guò)輸出端的電壓反饋對(duì)電流源進(jìn)行調(diào)節(jié))的角色。穩(wěn)壓器的電流源永遠(yuǎn)不可能在零時(shí)間內(nèi)作出變化,因此可以得出結(jié)論,如果我們使負(fù)載電流的變化速度超過(guò)穩(wěn)壓器的響應(yīng)速度,輸出電壓將會(huì)發(fā)生變化! 

2. 在穩(wěn)壓器的控制環(huán)路對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行調(diào)整的時(shí)間間隔,對(duì)負(fù)載電流變化(在先前的穩(wěn)態(tài)值和新的負(fù)載電流之間)進(jìn)行供給的唯一來(lái)源是輸出電容。因此,不管你喜歡與否,我們都必須加入輸出電容以試圖在負(fù)載瞬變時(shí)維持輸出電壓恒定。系統(tǒng)規(guī)范規(guī)定了所必須使用電容的大小和種類! 

3. 穩(wěn)壓器的速度越快越好。穩(wěn)壓器的控制環(huán)路響應(yīng)速度越快,在環(huán)路糾正瞬變前輸出電容上的電壓變化就越小。因此可以看出,更快的穩(wěn)壓器意味著在獲得同等“負(fù)載調(diào)節(jié)容差范圍”的情況下能夠采用更小的輸出電容(節(jié)省成本)! 

負(fù)載瞬變

為了了解負(fù)載瞬變?nèi)绾伟l(fā)生,下面用一個(gè)例子來(lái)進(jìn)行分析。本例中,當(dāng)負(fù)載電流需求量在幾乎零時(shí)間內(nèi)從IL1變化到更大值(IL2)時(shí)發(fā)生了負(fù)載瞬變。在瞬變之前,穩(wěn)壓器處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,這時(shí)IREG= IL1,并且輸出電容沒有向外部電路輸出電流! 

穩(wěn)壓器的電流源(IREG)不能立即發(fā)生變化,因此在“t = 0+”時(shí)刻(也就是負(fù)載電流增加到IL2的瞬間),IREG = IL1.通過(guò)簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)分析得出,此時(shí)電流源需要輸出電容:  

ICOUT=IL2-IL1

COUT將繼續(xù)提供電流直到控制環(huán)路把IREG提高到IL2為止。在COUT必須提供電流期間,隨著電容放電,它兩側(cè)的電壓將會(huì)降低。電容的內(nèi)部寄生等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)同樣也會(huì)使COUT兩側(cè)的電壓降低,如圖1所示

輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)  

所有的電容都含有ESR和ESL,二者都會(huì)對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響。在一個(gè)增加的電流負(fù)載瞬變過(guò)程中看到的輸出電壓與圖2中顯示的類似。

ESL導(dǎo)致電容兩側(cè)的電壓下降,該電壓強(qiáng)烈依賴于負(fù)載瞬變的上升時(shí)間:負(fù)載變化越快,ESL在輸出電壓波形上產(chǎn)生的“尖峰”就會(huì)越大。該尖峰在時(shí)間上很窄,這是因?yàn)殡姼袃H僅產(chǎn)生一個(gè)電壓以響應(yīng)變化著的電流,這可以通過(guò)下面的公式得出:  

V=Ldi/dt  

當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到新值(IL2)時(shí),ESL的電壓尖峰也就結(jié)束。負(fù)載電流瞬變的上升時(shí)間越短,電感的影響也就越大。大容量陶瓷電容的ESR和ESL都很低,它們通常用在器件的管腳處,而這些器件對(duì)快速上升的負(fù)載瞬變有相應(yīng)的要求! 

不管電容提供電流還是吸收電流(用波形上的“ESR階躍”表示),輸出電容的ESR都會(huì)導(dǎo)致電壓降低。尤其要注意的是,這里的“ESR階躍”是指負(fù)載瞬變時(shí)調(diào)節(jié)輸出端的DC電壓變化。這意味著當(dāng)針對(duì)調(diào)節(jié)電壓所必須滿足的最大允許“電壓容差范圍”進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),ESR成為一個(gè)關(guān)鍵性的考慮因素! 

在穩(wěn)壓器的電流源被控制環(huán)路調(diào)整到新值之前的時(shí)間間隔內(nèi),ESR兩側(cè)的分壓降低了輸出電壓(這段時(shí)間內(nèi)COUT放電電荷量也會(huì)相應(yīng)有所減少)! 

既然這些因素導(dǎo)致調(diào)節(jié)后的輸出電壓降到額定值以下,那么輸出電壓到誤差放大器的反饋量使得電流源IREG充分開啟,從而迫使輸出電壓返回到額定電壓。輸出電壓將上升并過(guò)沖超過(guò)額定值,此時(shí)隨著環(huán)路繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出電壓將被調(diào)整下降。這種情況下,環(huán)路的行為非常精確地反映了相位裕度(環(huán)路穩(wěn)定度)。一個(gè)經(jīng)過(guò)較好補(bǔ)償且相位裕度大于40°的環(huán)路,將產(chǎn)生一個(gè)迅速消失的瞬變,而且該瞬變中僅包含一個(gè)大的偏移(如圖2所示)。相對(duì)較小的相位裕度會(huì)在環(huán)路的建立行為上產(chǎn)生額外的“振鈴周期(ring cycle)”.圖2中的波形顯示了一個(gè)穩(wěn)定性方面的“最佳狀況”描述,但它并不典型。  

當(dāng)控制環(huán)路到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)(此時(shí)穩(wěn)壓器的電流源提供的電流是IL2)時(shí),輸出電容再次停止向電路提供電流! 
為什么增/減的負(fù)載瞬變不對(duì)稱?  

存在兩種類型的負(fù)載瞬變:負(fù)載電流突然增加,或者降低。前面的例子表明當(dāng)負(fù)載電流突然增加時(shí)輸出電壓如何發(fā)生變化。下面的例子將探討當(dāng)負(fù)載電流突然降低時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況(圖3)。
在這個(gè)例子中,負(fù)載電流突然從IL1降低到IL2.因?yàn)镮REG不能立即降到IL2,最初它將繼續(xù)提供IL1大小的電流。既然負(fù)載現(xiàn)在吸收更少的電流,那么輸出電容必須吸收IL1和IL2之間的差值,這將迫使COUT兩側(cè)的電壓升高! 

如果負(fù)載電流迅速下降,它將在ESL兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰,而且經(jīng)過(guò)ESR流入COUT的電流也將導(dǎo)致一個(gè)ESR“階躍”(圖4)。在尖峰過(guò)后,隨著電容從吸收電流(IL1 - IL2)中充電,COUT兩側(cè)的電壓將會(huì)升高。
既然VOUT升高到額定值以上,反饋將最終導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)閉(或減小)電流源IREG.但是既然大多數(shù)穩(wěn)壓器都無(wú)法將電流吸收到它們的輸出端,VOUT只能按照COUT向負(fù)載的放電速度再次降到額定值(在IREG被減小或者關(guān)閉以后)。但是,一旦VOUT下沖到額定值,控制環(huán)路將重新努力開啟IREG并使輸出迅速回轉(zhuǎn)上升,導(dǎo)致這個(gè)循環(huán)不斷重復(fù)直至達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)條件,此時(shí)因?yàn)镮REG等于IL2,COUT將再次沒有電流流入。

負(fù)載降低瞬變的建立時(shí)間通常大于負(fù)載增加瞬變的建立時(shí)間,這是因?yàn)榍罢咴贑OUT把過(guò)剩電壓放電給負(fù)載階段花費(fèi)了更多的時(shí)間:既然負(fù)載電流需求量有所降低,那么電容的放電速度就變得更加緩慢。負(fù)載增加瞬變把它的大部分時(shí)間都用在使COUT回轉(zhuǎn)上升上,同時(shí)穩(wěn)壓器在該模式下提供了最大電流(通常大于額定輸出電流)。與向負(fù)載放電時(shí)的降低相比,當(dāng)被上述大電流以正方向驅(qū)動(dòng)時(shí),COUT兩側(cè)的電壓(也就是調(diào)節(jié)輸出電壓)將會(huì)變化得更快! 

這表明在大多數(shù)情況下,對(duì)于負(fù)載從額定電流的20%階躍上升到80%的瞬變來(lái)說(shuō),其輸出電壓重新建立到額定值的速度大于從額定負(fù)載電流的80%階躍下降到20%的負(fù)載瞬變。即使總的負(fù)載電流變化相同,建立時(shí)間(以及波形的形狀)也將呈現(xiàn)出很大差異! 

優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)  

獲得最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)需要優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù),下面給出設(shè)計(jì)建議! 

1. 好鋼用在刀刃上。大容量陶瓷電容是世界上用于降低瞬變的最佳電容,大多數(shù)主板設(shè)計(jì)上都放置了大量的陶瓷電容(容量可達(dá)22μF),這些電容直接安裝在器件的引腳上,加電后可以抑制瞬變。大容量陶瓷電容通常所具有的ESR阻值低到毫歐姆量級(jí),同時(shí)ESL的數(shù)值也很低。沒有其它類型的電容能夠同時(shí)為ESR和ESL提供像這種級(jí)別的性能(盡管電解電容可以提供極低的ESR)。  

2. 需要在附近提供一個(gè)電荷庫(kù)。陶瓷電容所能提供的電容大小有實(shí)際限制,因此通常用靠近它們的電解電容對(duì)陶瓷電容進(jìn)行“備份”,這些電解電容能夠在最初負(fù)載瞬態(tài)變化通過(guò)時(shí)對(duì)負(fù)載提供支持。過(guò)去在這方面經(jīng)常使用鉭電容,現(xiàn)在因?yàn)榛馂?zāi)隱患方面的考慮已經(jīng)避免使用該元件。三洋公司的OSCON和POSCAP以及松下公司的SP電解電容都是具有極低ESR的高容量電容。  

3. 廉價(jià)的大容量電容。通常在穩(wěn)壓器的輸入端使用大容量、低成本、同時(shí)具有高ESR的鋁電解質(zhì)電容。原因在于輸入端可以忍受高ESR的電容,這是由于ESR引起的“電壓階躍”并不直接影響調(diào)節(jié)后的輸出電壓,相反它被穩(wěn)壓器的“線性調(diào)整”功能所抑制,該功能通常在穩(wěn)壓器的輸入端對(duì)DC變化提供高達(dá)60~80dB的衰減。  

4. 穩(wěn)壓器帶寬。具有較大環(huán)路帶寬的穩(wěn)壓器可以對(duì)變化負(fù)載進(jìn)行更快速的調(diào)節(jié),同時(shí)可以減少輸出端的大容量電容的數(shù)量,這通過(guò)穩(wěn)壓器在瞬變發(fā)生后不久吸收存儲(chǔ)于高容量輸入電容中的電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō),線性穩(wěn)壓器的速度經(jīng)常明顯快于開關(guān)的速度,這是因?yàn)榫性穩(wěn)壓器的單位增益帶寬可以大于500kHz(盡管由于功耗方面的約束,許多新型處理器芯片的高負(fù)載電流需求量要求使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器)。一條永遠(yuǎn)正確的結(jié)論是,速度越快意味著成本也就越高,并且無(wú)一例外地都需要增加大電流穩(wěn)壓器的帶寬。

 


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