就許多中央處理器 (CPU) 而言，規(guī)范要求電源必須能夠提供大而快速的充電輸出電流，特別是當(dāng)處理器變換工作模式的時(shí)候。例如，在 1V 的系統(tǒng)中，100 A/uS 負(fù)載瞬態(tài)可能會(huì)要求將電源電壓穩(wěn)定在 3% 以內(nèi)。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵就是要認(rèn)識(shí)到 這不僅僅是電源的問(wèn)題，電源分配系統(tǒng)也是一個(gè)重要因素，而且在一款解決方案中我們是很難將這二者嚴(yán)格地劃清界限。
這些高 di/dt 要求的意義就在于電壓源必須具有非常低的電感。重新整理下面的公式并求解得到允許的電源電感：
在快速負(fù)載電流瞬態(tài)通道中電感僅為 0.3 nH。為了便于比較，我們來(lái)看一個(gè)四層電路板上的0.1 英寸 (0.25 cm) 寬電路板線跡所具有的電感大約為 0.7 nH/英寸 (0.3 nH/cm)。IC 封裝中接合線的典型電感在1 nH 范圍內(nèi)，印刷電路板的過(guò)孔電感在0.2 nH 范圍內(nèi)。
此外，還有一個(gè)與旁路電容有關(guān)的串聯(lián)電感，如圖 1 所示。頂部的曲線是貼裝在四層電路板上的一個(gè)22 uF、X5R、16V、1210 陶瓷電容的阻抗。正如我們所期望的那樣（100 kHz 以下），阻抗隨著頻率的增加而下降。然而，在800 kHz時(shí)有一個(gè)串聯(lián)電感，此時(shí)電容會(huì)變得有電感性。該電感（其可以從電容值和諧振頻率計(jì)算得出）為 1.7 nH，其大大高于我們 0.3 nH 的目標(biāo)值。幸運(yùn)的是，您可以使用并聯(lián)電容以降低有效的 ESL。圖 1 底部的曲線為兩個(gè)并聯(lián)電容的阻抗。有趣的是諧振變得稍微低了一些，這表明有效電感并不是絕對(duì)的一半。基于諧振頻率，就兩個(gè)并聯(lián)的電容而言，新電感則為 1.0 nH 或ESL 下降 40%，而非下降 50%。這一結(jié)果可以歸結(jié)為兩個(gè)原因：互連電感和兩個(gè)電容之間的互感。
圖 1 并聯(lián)電容阻抗寄生現(xiàn)象衰減效果
電流通道的環(huán)路尺寸在一定程度上決定了連接組件中的寄生電感，組件尺寸決定了環(huán)路的面積。尺寸與電感相關(guān)系數(shù)如表 1 所示，其顯示了各種尺寸陶瓷表面貼裝電容的電容電感。一般來(lái)說(shuō)，體積越大的電容具有更大的電感。該表不包括電路板上貼裝電容的電感，在我們以前的測(cè)量中該電感由 1 nH 增加到了 1.7 nH。另一個(gè)有趣的問(wèn)題是端接的位置對(duì)電感有很大的影響。0805 電容在電容的較短一側(cè)有端接而0508 電容則在較長(zhǎng)的一側(cè)有端接。這幾乎將電流通道分為了兩半，從而大降低了電感。這種變化了的結(jié)構(gòu)將電感降低了四分之一。
表 1 陶瓷 SMT 電容尺寸會(huì)影響寄生電感
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尺寸
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ESL (nH)
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0603
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0.6
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0805
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0.8
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0508
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0.2
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1206
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1.0
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0612
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0.2
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1210
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1.0
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總之，高 di/dt 負(fù)載需要仔細(xì)考慮旁路問(wèn)題以保持電源動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓。表面貼裝電容需要非常靠近負(fù)載以最小化其互連電感。電容具有可能避免大量去耦的寄生電感。降低這一寄生電感的并聯(lián)電容是有效的，但互連和互感減弱了這一效果。使用具有更短電流通道的電容也是有效的。這可以用體積較小的部件或具有交流端接（其使用了更短的尺寸用于電流）的部件來(lái)實(shí)施。
下次我們將討論高 di/dt瞬態(tài)負(fù)載以及其在設(shè)計(jì)和測(cè)試電源時(shí)的意義，敬請(qǐng)期待。 屆時(shí)我們的討論重點(diǎn)從本地旁路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫丛O(shè)計(jì)意義。
在《如何處理高di/dt負(fù)載瞬態(tài)（上）》中，我們討論了電流快速變化時(shí)一些負(fù)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(fù)載，因?yàn)椴坏?.5 nH便可產(chǎn)生不可接受的電壓劇增。實(shí)際上，要達(dá)到這種低電感，要求在處理器封裝中放置多個(gè)旁路電容器和多個(gè)互連針腳。本文中，我們將討論達(dá)到電源輸出實(shí)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(bǔ)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(fù)載模型、DC負(fù)載和步進(jìn)負(fù)載。
圖1 簡(jiǎn)易P-SPICE模型輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)
首先，你需要決定是將電源和負(fù)載看作一個(gè)個(gè)單獨(dú)的“黑匣子”，還是把問(wèn)題當(dāng)作一個(gè)完整的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)處理。如果使用系統(tǒng)級(jí)方法，你可以利用負(fù)載旁路電容來(lái)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(dú)測(cè)試電源和負(fù)載。不管使用哪種方法，你都要知道負(fù)載需要多大的旁路電容。
首先，估計(jì)電源和負(fù)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(gè)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(fù)載步進(jìn)值 (ISTEP) 和允許電壓波動(dòng)（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(fù)載電流的平方除以允許擾動(dòng)的平方有關(guān)，因此要仔細(xì)計(jì)算這兩個(gè)值。
互連電感的范圍從并列電源的幾十nH，到遠(yuǎn)距放置電源的數(shù)百nHs。一條較為有效的經(jīng)驗(yàn)法則是，每英寸增加15 nH左右的互連電感。負(fù)載步進(jìn)為10安培且允許擾動(dòng)為30mV時(shí)，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(fù)載電流上升速率。如果無(wú)損濾波器由一個(gè)電流方波激勵(lì)，則電感電流為正弦。通過(guò)對(duì)方程式4-7中的電流波形求微分，可以計(jì)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(shí)，10安培步進(jìn)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(jì)人員所規(guī)定的值要小得多。
使用系統(tǒng)級(jí)方法時(shí)，要在最大化環(huán)路帶寬的同時(shí)，最小化總電容。現(xiàn)在，請(qǐng)您思考如何使用“黑匣子”方法。你必須在沒(méi)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(huì)推高負(fù)載的旁路電容要求。使用“黑匣子”方法時(shí)，這反過(guò)來(lái)又會(huì)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(wú)負(fù)載電容的交叉頻率，但只要連接負(fù)載，交叉頻率就會(huì)急劇下降。
表1對(duì)舉例系統(tǒng)三個(gè)互連電感的要求電容器進(jìn)行了比較。通過(guò)改變互連電感、計(jì)算負(fù)載旁路電容并設(shè)計(jì)電源的相應(yīng)輸出級(jí)和控制環(huán)路，得到比較數(shù)據(jù)。案例1的負(fù)載和電源并列放置；案例2電源和負(fù)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(jì)中形成紋波，原因是電源在有和沒(méi)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?yàn)樗褂玫碾娙萜髯钌伲杀咀畹汀０咐?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(lái)了嚴(yán)重的成本問(wèn)題。案例2和案例3也都有一個(gè)好處：獨(dú)立的電源測(cè)試。
表 1 利用系統(tǒng)級(jí)方法降低電源系統(tǒng)成本
圖 2 對(duì)小和大互連電感的負(fù)載瞬態(tài)期間的輸出電壓變化模擬情況進(jìn)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(fèi)了較長(zhǎng)的時(shí)間才穩(wěn)定下來(lái)。這是由于特性阻抗更高以及諧振頻率更低。另外，如果負(fù)載電流在該諧振頻率有規(guī)律地跳動(dòng)，則會(huì)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(gè)問(wèn)題
總之，高di/dt負(fù)載要求小心謹(jǐn)慎地進(jìn)行旁路設(shè)計(jì)，以保持電源動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。在負(fù)載和旁路電容器以及旁路電容器和負(fù)載之間，必須使用低電感互連。系統(tǒng)級(jí)方法可實(shí)現(xiàn)一種成本最低的解決方案。為了系統(tǒng)測(cè)試方便，許多系統(tǒng)工程師都忽略了這種通過(guò)降低電源電容實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省的解決方案。 |
