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改善电源负载瞬态响应性能的设计方法

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标签: 电源

电源

改善电源负载瞬态响应性能的设计方法

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改善电源负½½瞬态响应性½的设计方法
电子电路一般½需要一个即½在负½½电流发生瞬变时,输出电压也½维持在特定容差范围内的电压源,以确保
电路的正常工½。设计工程师必须在理解瞬态响应原理的基础上,利用正确的设计思路才½以较½的成本改善
电源的瞬态响应性½。
瞬态定义为“仅维持一段短暂时间的事物"。½是,随着微处理器工½速度和电流需求量的提高,½负½½电流发
生瞬态变化时,稳压器在指定范围内保持输出电压的½力成为一个广泛存在的困扰。典型
CPU
芯片的电源规
范要求,即½负½½电流在几百纳秒内发生
20
30A
的变化,供电电压仍然要保持稳定,要实现这个性½指标
绝非易事。
瞬态响应可½是电子电压调节里最难理解的概念之一。
在过去曾有一个曾经有人做出一个完全错误的陈述:
“我
们新推出的稳压器速度之快甚至可以½½不再需要电容。”事实相反,½负½½瞬变时(不管这个稳压器有多快),
½始终需要电容。
总之,为了掌握在哪里投入成本才½提高系统性½和在不牺牲瞬态的情况下怎样节省成本,½需要理解瞬态响
应是什么以及它的工½原理。
电压调节
几乎所有的电子电路½需要一个稳定的电压源,它维持在特定容差范围内,以确保正确运行(典型的
CPU
电路
只允许电压源与额定电压的最大偏离不超过±3%)。该固定电压由某些种类的稳压器提供。通过电阻分压器自
动检测输出电压,误差放大器不断调整电流源从而维持输出电压稳定在额定电压上。
稳压器必须½够在负½½电流需求量从零上升到满负荷(大约为
20A
或更多)时,保持输出电压恒定。½负½½电流
需求量缓慢变化时很容易做到这一点,½是,如果负½½电流"阶跃"足够快的话,稳压器将无法提供完全稳定的
输出电压。
理解负½½瞬变的关键点:
1.
稳压器担½驱动负½½的压控电流源(通过输出端的电压反馈对电流源进行调节)的角色。
稳压器的电流源永远
不可½在零时间内½出变化,因此可以得出结论,如果我们½负½½电流的变化速度超过稳压器的响应速度,输
出电压将会发生变化。
2.
在稳压器的控制环路对负½½变化进行调整的时间间隔,对负½½电流变化(在先前的稳态值和新的负½½电流之
间)进行供给的唯一来源是输出电容。因此,不管½喜欢与否,我们½必须加入输出电容以试图在负½½瞬变时
维持输出电压恒定。系统规范规定了所必须½用电容的大小和种类。
3.
稳压器的速度越快越½。稳压器的控制环路响应速度越快,在环路纠正瞬变前输出电容上的电压变化就越
小。因此可以看出,更快的稳压器意味着在获得同等“负½½调节容差范围”的情况下½够采用更小的输出电容(节
省成本)。
负½½瞬变
1
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为了了解负½½瞬变如½发生,下面用一个例子来进行分析。本例中,½负½½电流需求量在几乎零时间内从
I
L1
变化到更大值(I
L2
)时发生了负½½瞬变。在瞬变之前,稳压器处于稳态运行,这时 I
REG
= I
L1
,并且输出电容没有
向外部电路输出电流。
稳压器的电流源(I
REG
)不½立即发生变化,因此在“t = 0+”时刻(也就是负½½电流增加到 I
L2
的瞬间),I
REG
= I
L1
通过简单节点分析得出,此时电流源需要输出电容:
I
COUT
=I
L2
-I
L1
C
OUT
将继续提供电流直到控制环路把
I
REG
提高到
I
L2
为止。在
C
OUT
必须提供电流期间,随着电容放电,它两
侧的电压将会降½。电容的内部寄生等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)同样也会½
C
OUT
两侧的电压降
½,如图
1
所示。
1
:电流增加负½½瞬变的发生
输出电压瞬态响应
所有的电容½含有
ESR
ESL,二者½会对瞬态响应产生明显的½响。在一个增加的电流负½½瞬变过程中看
到的输出电压与图
2
中显示的类似。
2
:负½½阶跃上升后的
VOUT
2
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ESL
导致电容两侧的电压下降,该电压强烈依赖于负½½瞬变的上升时间:负½½变化越快,ESL
在输出电压波
½上产生的"尖峰"就会越大。该尖峰在时间上很窄,这是因为电感仅仅产生一个电压以响应变化着的电流,这
可以通过下面的公式得出:V=Ldi/dt
½负½½电流达到新值(I
L2
)时,ESL
的电压尖峰也就结束。负½½电流瞬变的上升时间越短,电感的½响也就越大。
大容量陶瓷电容的
ESR
ESL
½很½,它们通常用在器件的管脚处,而这些器件对快速上升的负½½瞬变有相
应的要求。
不管电容提供电流还是吸收电流(用波½上的“ESR
阶跃”表示),输出电容的
ESR
½会导致电压降½。尤其要注
意的是,这里的“ESR 阶跃”是指负½½瞬变时调节输出端的
DC
电压变化。这意味着½针对调节电压所必须满足
的最大允许"电压容差范围"进行设计时,ESR 成为一个关键性的考虑因素。
在稳压器的电流源被控制环路调整到新值之前的时间间隔内,ESR
两侧的分压降½了输出电压(这段时间内
C
OUT
放电电荷量也会相应有所减少)。
既然这些因素导致调节后的输出电压降到额定值以下,那么输出电压到误差放大器的反馈量½得电流源
I
REG
充分开启,从而迫½输出电压返回到额定电压。输出电压将上升并过冲超过额定值,此时随着环路继续进行调
节,输出电压将被调整下降。这种情况下,环路的行为非常精确地反映了相½裕度(环路稳定度)。一个经过较
½补偿且相½裕度大于
40°的环路,将产生一个迅速消失的瞬变,而且该瞬变中仅包含一个大的偏移(如图 2
所示)。相对较小的相½裕度会在环路的建立行为上产生额外的“振铃周期(ring
cycle)”。图 2
中的波½显示了一
个稳定性方面的"最½状况"描述,½它并不典型。
½控制环路到达一个新的稳态(此时稳压器的电流源提供的电流是
I
L2
)时,输出电容再次停止向电路提供电流。
为什么增/减的负½½瞬变不对称?
存在两种类型的负½½瞬变:负½½电流突然增加,或者降½。前面的例子表明½负½½电流突然增加时输出电压如
½发生变化。下面的例子将探讨½负½½电流突然降½时会发生什么情况(图
3)。
3
:电流降½负½½瞬变的发生
在这个例子中,负½½电流突然从
I
L1
降½到
I
L2
。因为
I
REG
不½立即降到
I
L2
,最初它将继续提供
I
L1
大小的电流。
既然负½½现在吸收更少的电流,那么输出电容必须吸收
I
L1
I
L2
之间的差值,这将迫½
C
OUT
两侧的电压升高。
3
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如果负½½电流迅速下降,它将在
ESL
两侧产生一个电压尖峰,而且经过
ESR
流入
C
OUT
的电流也将导致一个
ESR"阶跃"(图 4)。在尖峰过后,随着电容从吸收电流(I
L1
- I
L2
)中充电,C
OUT
两侧的电压将会升高。
4
:负½½突然下降时的
VOUT
既然
V
OUT
升高到额定值以上,反馈将最终导致控制环路关闭(或减小)电流源
I
REG
。½是既然大多数稳压器½无
法将电流吸收到它们的输出端,
OUT
只½按照
C
OUT
向负½½的放电速度再次降到额定值(在
I
REG
被减小或者关闭
V
以后)。½是,一旦
V
OUT
下冲到额定值,控制环路将重新努力开启
I
REG
并½输出迅速回½上升,导致这个循环
不断重复直至达到新的稳定状态条件,此时因为
I
REG
等于
I
L2
,C
OUT
将再次没有电流流入。
负½½降½瞬变的建立时间通常大于负½½增加瞬变的建立时间,这是因为前者在
C
OUT
把过剩电压放电给负½½阶
段花费了更多的时间:既然负½½电流需求量有所降½,那么电容的放电速度就变得更加缓慢。负½½增加瞬变把
它的大部分时间½用在½
C
OUT
回½上升上,同时稳压器在该模式下提供了最大电流(通常大于额定输出电流)。
与向负½½放电时的降½相比,½被上述大电流以正方向驱动时,C
OUT
两侧的电压(也就是调节输出电压)将会变
化得更快。
这表明在大多数情况下,对于负½½从额定电流的
20%阶跃上升到 80%的瞬变来说,其输出电压重新建立到额
定值的速度大于从额定负½½电流的
80%阶跃下降到 20%的负½½瞬变。
即½总的负½½电流变化相同,
建立时间(以
及波½的½状)也将呈现出很大差异。
优化瞬态响应
获得最优的瞬态响应需要优化系统设计参数,下面给出设计建议。
1.
½钢用在刀刃上。大容量陶瓷电容是世界上用于降½瞬变的最½电容,大多数主板设计上½放½了大量的
陶瓷电容(容量可达
22μF),这些电容直接安装在器件的引脚上,加电后可以抑制瞬变。大容量陶瓷电容通常所
具有的
ESR
阻值½到毫欧姆量级,同时
ESL
的数值也很½。没有其它类型的电容½够同时为
ESR
ESL
供像这种级别的性½(½管电解电容可以提供极½的
ESR)。
2.
需要在附近提供一个电荷库。陶瓷电容所½提供的电容大小有实际限制,因此通常用靠近它们的电解电容
对陶瓷电容进行“备½”,这些电解电容½够在最初负½½瞬态变化通过时对负½½提供支持。过去在这方面经常½
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用½电容,现在因为火灾隐患方面的考虑已经避免½用该元件。三洋公司的
OSCON
POSCAP
以及松下公
司的
SP
电解电容½是具有极½
ESR
的高容量电容。
3.
廉价的大容量电容。通常在稳压器的输入端½用大容量、½成本、同时具有高
ESR
的铝电解质电容。原因
在于输入端可以忍受高
ESR
的电容,这是由于
ESR
引起的“电压阶跃”并不直接½响调节后的输出电压,相反
它被稳压器的“线性调整”功½所抑制,该功½通常在稳压器的输入端对
DC
变化提供高达
60~80dB
的衰减。
4.
稳压器带½。具有较大环路带½的稳压器可以对变化负½½进行更快速的调节,同时可以减少输出端的大容
量电容的数量,这通过稳压器在瞬变发生后不久吸收存储于高容量输入电容中的电荷来实现。一般来说,线性
稳压器的速度经常明显快于开关的速度,这是因为线性稳压器的单½增益带½可以大于
500kHz(½管由于功耗
方面的约束,许多新型处理器芯片的高负½½电流需求量要求½用开关½换器)。一条永远正确的结论是,速度
越快意味着成本也就越高,并且无一例外地½需要增加大电流稳压器的带½。
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