如何处理高di/dt负载瞬态

　　就许多中央处理器 （CPU） 而言，规范要求电源必须能够提供大而快速的充电输出电流，特别是当处理器变换工作模式的时候。例如，在 1V 的系统中，100 A/uS 负载瞬态可能会要求将电源电压稳定在 3% 以内。解决这一问题的关键就是要认识到这不仅仅是电源的问题，电源分配系统也是一个重要因素，而且在一款解决方案中我们是很难将这二者严格地划清界限。

　　这些高 di/dt 要求的意义就在于电压源必须具有非常低的电感。重新整理下面的公式并求解得到允许的电源电感：

　　在快速负载电流瞬态通道中电感仅为 0.3 nH.为了便于比较，我们来看一个四层电路板上的0.1 英寸 （0.25 cm） 宽电路板线迹所具有的电感大约为 0.7 nH/英寸 （0.3 nH/cm）。IC 封装中接合线的典型电感在1 nH 范围内，印刷电路板的过孔电感在0.2 nH  范围内。

　　此外，还有一个与旁路电容有关的串联电感，如图 1 所示。顶部的曲线是贴装在四层电路板上的一个22 uF、X5R、16V、1210 陶瓷电容的阻抗。正如我们所期望的那样（100 kHz 以下），阻抗随着频率的增加而下降。然而，在800 kHz时有一个串联电感，此时电容会变得有电感性。该电感（其可以从电容值和谐振频率计算得出）为 1.7 nH,其大大高于我们 0.3 nH 的目标值。幸运的是，您可以使用并联电容以降低有效的 ESL.图 1 底部的曲线为两个并联电容的阻抗。有趣的是谐振变得稍微低了一些，这表明有效电感并不是绝对的一半。基下降 50%.这一结果可以归结为两个原因：互连电感和两个电容之间的互感。 于谐振频率，就两个并联的电容而言，新电感则为 1.0 nH 或ESL 下降 40%,而非

图 1 并联电容阻抗寄生现象衰减效果

　　电流通道的环路尺寸在一定程度上决定了连接组件中的寄生电感，组件尺寸决定了环路的面积。尺寸与电感相关系数如表 1 所示，其显示了各种尺寸陶瓷表面贴装电容的电容电感。一般来说，体积越大的电容具有更大的电感。该表不包括电路板上贴装电容的电感，在我们以前的测量中该电感由 1 nH 增加到了 1.7 nH.另一个有趣的问题是端接的位置对电感有很大的影响。0805 电容在电容的较短一侧有端接而0508 电容则在较长的一侧有端接。这几乎将电流通道分为了两半，从而大降低了电感。这种变化了的结构将电感降低了四分之一。

表 1 陶瓷 SMT 电容尺寸会影响寄生电感

　　总之，高 di/dt 负载需要仔细考虑旁路问题以保持电源动态稳压。表面贴装电容需要非常靠近负载以最小化其互连电感。电容具有可能避免大量去耦的寄生电感。降低这一寄生电感的并联电容是有效的，但互连和互感减弱了这一效果。使用具有更短电流通道的电容也是有效的。这可以用体积较小的部件或具有交流端接（其使用了更短的尺寸用于电流）的部件来实施。
 

　　为了讨论方便，图2显示了电源系统的P-SPICE模型。本图由补偿电路电源、调制器（G1）和输出电容器组成。内部还包括互连电感、旁路电容负载模型、DC负载和步进负载。

图2简易P-SPICE模型辅助系统设计

　　首先，你需要决定是将电源和负载看作一个个单独的"黑匣子",还是把问题当作一个完整的电源系统设计来处理。如果使用系统级方法，你可以利用负载旁路电容来降低电源输出电容，从而节约系统成本。如果使用"黑匣子"方法，你要单独测试电源和负载。不管使用哪种方法，你都要知道负载需要多大的旁路电容。

　　首先，估计电源和负载之间的互连电感和电阻的大小。这种互连阻抗（LINTERCONNECT） 形成一个旁路电容器 （CBYPASS） 低通滤波器。我们假设电源输出阻抗较低。利用该低通滤波器的特性阻抗 （ZO）、负载步进值 （ISTEP） 和允许电压波动（dV），建立旁路滤波器要求（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，所需电容大小与负载电流的平方除以允许扰动的平方有关，因此要仔细计算这两个值。

　　互连电感的范围从并列电源的几十nH,到远距放置电源的数百nHs.一条较为有效的经验法则是，每英寸增加15 nH左右的互连电感。负载步进为10安培且允许扰动为30mV时，旁路要求范围为5 nH的500 uF到500 nH的50 mF.

　　另外，这种滤波器还降低了电源的负载电流上升速率。如果无损滤波器由一个电流方波激励，则电感电流为正弦。通过对方程式4-7中的电流波形求微分，可以计算得到上升速率。

方程式 4

方程式5

方程式6

方程式7

　　互连电感为5 nH,旁路电容为500 uF时，10安培步进变化可形成0.2 A/uS电源电流上升速率。更大的电感可产生更低的di/dt.这些数值比系统设计人员所规定的值要小得多。

　　使用系统级方法时，要在最大化环路带宽的同时，最小化总电容。现在，请您思考如何使用"黑匣子"方法。你必须在没有旁路电容和最大期望旁路电容的情况下，让电源稳定。如前所述，互连电容会推高负载的旁路电容要求。使用"黑匣子"方法时，这反过来又会影响电源的电容。连接电容范围确定了电源的交叉频率范围。在电压和电流两种模式下，两者均成比例关系。你可以最大化无负载电容的交叉频率，但只要连接负载，交叉频率就会急剧下降。

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