如何處理高di/dt負載瞬態(tài)（下）

在《如何處理高di/dt負載瞬態(tài)（上）》中，我們討論了電流快速變化時一些負載的電容旁路要求。我們發(fā)現(xiàn)必須讓低等效串聯(lián)電感（ESL）電容器靠近負載，因為不到0.5 nH便可產(chǎn)生不可接受的電壓劇增。實際上，要達到這種低電感，要求在處理器封裝中放置多個旁路電容器和多個互連針腳。本文中，我們將討論達到電源輸出實際di/dt要求所需的旁路電容大小。

為了討論方便，圖1顯示了電源系統(tǒng)的P-SPICE模型。本圖由補償電路電源、調(diào)制器（G1）和輸出電容器組成。內(nèi)部還包括互連電感、旁路電容負載模型、DC負載和步進負載。

圖1簡易P-SPICE模型輔助系統(tǒng)設(shè)計

首先，你需要決定是將電源和負載看作一個個單獨的"黑匣子",還是把問題當(dāng)作一個完整的電源系統(tǒng)設(shè)計來處理。如果使用系統(tǒng)級方法，你可以利用負載旁路電容來降低電源輸出電容，從而節(jié)約系統(tǒng)成本。如果使用"黑匣子"方法，你要單獨測試電源和負載。不管使用哪種方法，你都要知道負載需要多大的旁路電容。

首先，估計電源和負載之間的互連電感和電阻的大小。這種互連阻抗（LINTERCONNECT） 形成一個旁路電容器 （CBYPASS） 低通濾波器。我們假設(shè)電源輸出阻抗較低。利用該低通濾波器的特性阻抗 （ZO）、負載步進值 （ISTEP） 和允許電壓波動（dV），建立旁路濾波器要求（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，所需電容大小與負載電流的平方除以允許擾動的平方有關(guān)，因此要仔細計算這兩個值。

互連電感的范圍從并列電源的幾十nH,到遠距放置電源的數(shù)百nHs.一條較為有效的經(jīng)驗法則是，每英寸增加15 nH左右的互連電感。負載步進為10安培且允許擾動為30mV時，旁路要求范圍為5 nH的500 uF到500 nH的50 mF.

另外，這種濾波器還降低了電源的負載電流上升速率。如果無損濾波器由一個電流方波激勵，則電感電流為正弦。通過對方程式4-7中的電流波形求微分，可以計算得到上升速率。

方程式 4

方程式5

方程式6

方程式7

互連電感為5 nH,旁路電容為500 uF時，10安培步進變化可形成0.2 A/uS電源電流上升速率。更大的電感可產(chǎn)生更低的di/dt.這些數(shù)值比系統(tǒng)設(shè)計人員所規(guī)定的值要小得多。

使用系統(tǒng)級方法時，要在最大化環(huán)路帶寬的同時，最小化總電容。現(xiàn)在，請您思考如何使用"黑匣子"方法。你必須在沒有旁路電容和最大期望旁路電容的情況下，讓電源穩(wěn)定。如前所述，互連電容會推高負載的旁路電容要求。使用"黑匣子"方法時，這反過來又會影響電源的電容。連接電容范圍確定了電源的交叉頻率范圍。在電壓和電流兩種模式下，兩者均成比例關(guān)系。你可以最大化無負載電容的交叉頻率，但只要連接負載，交叉頻率就會急劇下降。

表1對舉例系統(tǒng)三個互連電感的要求電容器進行了比較。通過改變互連電感、計算負載旁路電容并設(shè)計電源的相應(yīng)輸出級和控制環(huán)路，得到比較數(shù)據(jù)。案例1的負載和電源并列放置；案例2電源和負載之間的互連電感大小為中等。案例3中，使用線纜連接的電源的電感極高。要求旁路的多少直接與互連電感有關(guān)。

本例中，案例 3 是互連電感的 100 倍，旁路電容也是如此。這在電源設(shè)計中形成紋波，原因是電源在有和沒有旁路電容器的情況下都必須保持穩(wěn)定。很明顯，第一種方法更好，因為它使用的電容器最少，成本最低。案例2中，互連電感受到一定的控制，電容器數(shù)量有一定增加。案例3中，大量的互連電感帶來了嚴(yán)重的成本問題。案例2和案例3也都有一個好處：獨立的電源測試。

表1利用系統(tǒng)級方法降低電源系統(tǒng)成本

圖 2 對小和大互連電感的負載瞬態(tài)期間的輸出電壓變化模擬情況進行了比較。小電感響應(yīng)快速漸次減弱，而大電感則并非如此，花費了較長的時間才穩(wěn)定下來。這是由于特性阻抗更高以及諧振頻率更低。另外，如果負載電流在該諧振頻率有規(guī)律地跳動，則會出現(xiàn)極寬且具破壞性的電壓變化。

圖 2 電壓振鈴成為大互連電感的一個問題

總之，高di/dt負載要求小心謹(jǐn)慎地進行旁路設(shè)計，以保持電源動態(tài)調(diào)節(jié)能力。在負載和旁路電容器以及旁路電容器和負載之間，必須使用低電感互連。系統(tǒng)級方法可實現(xiàn)一種成本最低的解決方案。為了系統(tǒng)測試方便，許多系統(tǒng)工程師都忽略了這種通過降低電源電容實現(xiàn)成本節(jié)省的解決方案。

以后，我們將對一些根據(jù)經(jīng)驗所得的結(jié)論進行討論，以確定同步降壓結(jié)構(gòu)的最佳柵極驅(qū)動計時方案，敬請期待。

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