電源負載瞬態(tài)響應(yīng)性能最新的設(shè)計方法

    電子電路一般都需要一個即使在負載電流發(fā)生瞬變時，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)負載電流發(fā)生瞬態(tài)變化時，穩(wěn)壓器在指定范圍內(nèi)保持輸出電壓的能力成為一個廣泛存在的困擾。典型CPU芯片的電源規(guī)范要求，即使負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，要實現(xiàn)這個性能指標絕非易事。
    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。在過去曾有一個曾經(jīng)有人做出一個完全錯誤的陳述：“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。”事實相反，當(dāng)負載瞬變時(不管這個穩(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±3%)。該固定電壓由某些種類的穩(wěn)壓器提供。通過電阻分壓器自動檢測輸出電壓，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)壓器必須能夠在負載電流需求量從零上升到滿負荷(大約為20A或更多)時，保持輸出電壓恒定。當(dāng)負載電流需求量緩慢變化時很容易做到這一點，但是，如果負載電流"階躍"足夠快的話，穩(wěn)壓器將無法提供完全穩(wěn)定的輸出電壓。
理解負載瞬變的關(guān)鍵點：
1. 穩(wěn)壓器擔(dān)當(dāng)驅(qū)動負載的壓控電流源(通過輸出端的電壓反饋對電流源進行調(diào)節(jié))的角色。穩(wěn)壓器的電流源永遠不可能在零時間內(nèi)作出變化，因此可以得出結(jié)論，如果我們使負載電流的變化速度超過穩(wěn)壓器的響應(yīng)速度，輸出電壓將會發(fā)生變化。
2. 在穩(wěn)壓器的控制環(huán)路對負載變化進行調(diào)整的時間間隔，對負載電流變化(在先前的穩(wěn)態(tài)值和新的負載電流之間)進行供給的唯一來源是輸出電容。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載瞬變時維持輸出電壓恒定。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)。
負載瞬變
    為了了解負載瞬變?nèi)绾伟l(fā)生，下面用一個例子來進行分析。本例中，當(dāng)負載電流需求量在幾乎零時間內(nèi)從IL1變化到更大值(IL2)時發(fā)生了負載瞬變。在瞬變之前，穩(wěn)壓器處于穩(wěn)態(tài)運行，這時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+”時刻(也就是負載電流增加到IL2的瞬間)，IREG = IL1。通過簡單節(jié)點分析得出，此時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 、ASIC、DSP綜合" target=_blank>ESL)同樣也會使COUT兩側(cè)的電壓降低，如圖1所示。
圖1：電流增加負載瞬變的發(fā)生
輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)
    所有的電容都含有ESR和ESL，二者都會對瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響。在一個增加的電流負載瞬變過程中看到的輸出電壓與圖2中顯示的類似。
圖2：負載階躍上升后的VOUT
    ESL導(dǎo)致電容兩側(cè)的電壓下降，該電壓強烈依賴于負載瞬變的上升時間：負載變化越快，ESL在輸出電壓波形上產(chǎn)生的"尖峰"就會越大。該尖峰在時間上很窄，這是因為電感僅僅產(chǎn)生一個電壓以響應(yīng)變化著的電流，這可以通過下面的公式得出：
V＝Ldi/dt
    當(dāng)負載電流達到新值(IL2)時，ESL的電壓尖峰也就結(jié)束。負載電流瞬變的上升時間越短，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，而這些器件對快速上升的負載瞬變有相應(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都會導(dǎo)致電壓降低。尤其要注意的是，這里的“ESR階躍”是指負載瞬變時調(diào)節(jié)輸出端的DC電壓變化。這意味著當(dāng)針對調(diào)節(jié)電壓所必須滿足的最大允許"電壓容差范圍"進行設(shè)計時，ESR成為一個關(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)整到新值之前的時間間隔內(nèi)，ESR兩側(cè)的分壓降低了輸出電壓(這段時間內(nèi)COUT放電電荷量也會相應(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沖超過額定值，此時隨著環(huán)路繼續(xù)進行調(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)。一個經(jīng)過較好補償且相位裕度大于40°的環(huán)路，將產(chǎn)生一個迅速消失的瞬變，而且該瞬變中僅包含一個大的偏移(如圖2所示)。相對較小的相位裕度會在環(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)路到達一個新的穩(wěn)態(tài)(此時穩(wěn)壓器的電流源提供的電流是IL2)時，輸出電容再次停止向電路提供電流。
為什么增/減的負載瞬變不對稱？
    存在兩種類型的負載瞬變：負載電流突然增加，或者降低。前面的例子表明當(dāng)負載電流突然增加時輸出電壓如何發(fā)生變化。下面的例子將探討當(dāng)負載電流突然降低時會發(fā)生什么情況(圖3)。
圖3：電流降低負載瞬變的發(fā)生
    在這個例子中，負載電流突然從IL1降低到IL2。因為IREG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。
    如果負載電流迅速下降，它將在ESL兩側(cè)產(chǎn)生一個電壓尖峰，而且經(jīng)過ESR流入COUT的電流也將導(dǎo)致一個ESR"階躍"(圖4)。在尖峰過后，隨著電容從吸收電流(IL1 - IL2)中充電，COUT兩側(cè)的電壓將會升高。
    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)壓器都無法將電流吸收到它們的輸出端，VOUT只能按照COUT向負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)致這個循環(huán)不斷重復(fù)直至達到新的穩(wěn)定狀態(tài)條件，此時因為IREG等于IL2，COUT將再次沒有電流流入。
    負載降低瞬變的建立時間通常大于負載增加瞬變的建立時間，這是因為前者在COUT把過剩電壓放電給負載階段花費了更多的時間：既然負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。負載增加瞬變把它的大部分時間都用在使COUT回轉(zhuǎn)上升上，同時穩(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)。與向負載放電時的降低相比，當(dāng)被上述大電流以正方向驅(qū)動時，COUT兩側(cè)的電壓(也就是調(diào)節(jié)輸出電壓)將會變化得更快。
    這表明在大多數(shù)情況下，對于負載從額定電流的20%階躍上升到80%的瞬變來說，其輸出電壓重新建立到額定值的速度大于從額定負載電流的80%階躍下降到20%的負載瞬變。即使總的負載電流變化相同，建立時間(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)計參數(shù)，下面給出設(shè)計建議。
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)計上都放置了大量的陶瓷電容(容量可達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，同時ESL的數(shù)值也很低。沒有其它類型的電容能夠同時為ESR和ESL提供像這種級別的性能(盡管電解電容可以提供極低的ESR)。
2. 需要在附近提供一個電荷庫。陶瓷電容所能提供的電容大小有實際限制，因此通常用靠近它們的電解電容對陶瓷電容進行“備份”，這些電解電容能夠在最初負載瞬態(tài)變化通過時對負載提供支持。過去在這方面經(jīng)常使用貼片鉭電容，現(xiàn)在因為火災(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DC變化提供高達60~80dB的衰減。
4. 穩(wěn)壓器帶寬。具有較大環(huán)路帶寬的穩(wěn)壓器可以對變化負載進行更快速的調(diào)節(jié)，同時可以減少輸出端的大容量電容的數(shù)量，這通過穩(wěn)壓器在瞬變發(fā)生后不久吸收存儲于高容量輸入電容中的電荷來實現(xiàn)。一般來說，線性穩(wěn)壓器的速度經(jīng)常明顯快于開關(guān)的速度，這是因為線性穩(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載電流需求量要求使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器)。一條永遠正確的結(jié)論是，速度越快意味著成本也就越高，并且無一例外地都需要增加大電流穩(wěn)壓器的帶寬。