作者：Geoff Jones and Brian Narveson，德州仪器

对于复杂的电路板，例如现今的高阶通讯系统，设计人员愈来愈需要为不同的 DSP、FPGA、ASIC 和微处理器提供更多的电压轨。目前必须面对的电源系统设计挑战，是在高速数字电路产生电流瞬时的情况下，将电压偏差降到最低。越来越需要关注的问题是，在使用先进 IC 时，例如最新的 GHz级 DSP、FPGA、ASIC 和微处理器，电流瞬时期间会出现输出电压的峰值偏差。如果核心电压 (VCC) 超出指定的容差上限，IC 必须重设，否则会发生逻辑错误。为避免发生这种状况，设计人员需要更注意所使用的负载点 (point-of-load, POL) 模块瞬时效能。

最新 GHz级 DSP 之类的数字负载需要相当快速的瞬时响应，以及相当低的电压偏差。为达到这些目标，通常需要为 DC/DC 转换器加装多个输出电容，让它在回馈回路响应前有足够的维持时间。使用电源模块，并加装电容以符合电压瞬时容差后，便形成一套完整的电源解决方案。

由于设计人员逐渐增加输出电容，因此瞬时幅度会降低，然而，增加电容会降低电源系统频宽，高电能储存的优点会被缓慢的响应时间抵消。这个做法也很有可能减少相位边限 (导致潜在性的不稳定输出)，尤其对于极低等效串联电阻 (ESR) 与超低 ESR 电容更是如此。

电容经过多年的演进，在容积方面的效能持续提升。即使容积效能有所提升，在增加电容后，整个电源解决方案的大小往往会是单独一个电源模块的两倍以上。这需要大型的印刷电路板配置，不过这可能并不是经常都能够办到。除此之外，在增加电容的成本后，整个电源解决方案的组件成本可能是单独电源供应器的两倍以上。

更快速的瞬时响应

借由创新的 DC/DC 电源模块技术，系统设计人员如今能够运用较少的输出电容，达到更快速的瞬时响应及更低的电压偏差。德州仪器的 T2 系列新一代 PTH 模块 (图 1) 便是其中一例，这个系列的模块结合一项全新的 TurboTrans™ 技术，能够大幅减少客户为达到特定电压偏差目标而使用输出电容的需求。这项专利技术的运作方式是修改模块的控制回路，这可让设计人员自行调整模块，以符合特定的瞬时负载需求，只需增加一个外部电阻就可以完成调整工作。

图 1. 采用 TurboTrans™ 的 T2 电源模块

在高瞬时负载的应用中，TurboTrans 技术能够让设计人员减少高达八倍数量的输出电容，同时将电压偏差降低，因此能够节省电容成本与印刷电路板空间。这项技术的另一项优点是提升超低 ESR 电容的稳定性。设计人员便能够使用较新的 Oscon 输出电容、聚合物钽质输出电容或所有陶瓷输出电容，而完全不需顾虑稳定性问题。如此一来，便能够运用可达到高温无铅焊锡规范的电容技术。

更快速的瞬时响应与更低的电压偏差

TurboTrans 技术能够减少增加电容以达到特定瞬时目标的需求。对于 TI 的额定 30A PTH08T210W 之类的模块，经证实可减少高达八倍数量的电容。图 2 显示改变量为 5A/µs 的 10A 负载步阶所需的 50mV 最大偏差瞬时目标范例。第一张图显示 PTH08T210W 以 470µF 的最低需求输出电容运作，而且 TurboTrans 功能已关闭。电压偏差由于瞬时而达到 150mV。为满足所需的 50mV 偏差值，设计人员总共需要 10,560µF 的输出电容，如第二张图所示，这是未使用 Turbo Trans 功能的模块常见的结果。第三张图则显示使用 TurboTrans 功能的结果，其中只需要 1320µF 的输出电容。

未使用 TurboTrans 功能的最低输出电容 (470µF)。	未使用 TurboTrans 功能而需要 10560µF 输出电容来达到 50mV 偏差需求。	使用 TurboTrans 功能而以 1320µF 输出电容达到 50mV 偏差需求。

图 2. 瞬时响应 vs. 电容

这个范例显示减少的电容有八倍之多。当然，减少所需的电容与使用的电容类型有关，因为每个电容类型都有各自的寄生阻抗。不同的电容类型有不同的 ESR 与 ESL 特性，低 ESR 电容贮电模块相当适合采用 TurboTrans 技术。

透过先进的 TurboTrans 技术，系统设计人员如今能够在较短的设计过程中以极低的成本使用 POL 模块，以达到特定的瞬时负载需求。如图 3 所示，这只需要在 T2 系列模块的 VSENSE 接脚与 TurboTrans 接脚之间接上电阻，而从数据表便能够决定电阻的值与所需的电容数量。

图 3. 接上 TurboTrans 的 T2 系列电源模块

许多设计人员发现可以使用所有陶瓷电容或聚合物钽质电容，因为这些电容的体积很小，而且可达到无铅焊锡的规范。在过去，使用这些电容会引发某些 POL 电源模块的稳定性疑虑。使用 TurboTrans 后，T2 模块的稳定性会实质提升，因此可达到适切控制的瞬时负载响应 (见图 4)。

图 4. 使用及不使用 TurboTrans 达到 8A 瞬时负载响应的 POL 模块所呈现的输出电压偏差。

提升效能与设计弹性

另一方面，TI 的创新 SmartSync 功能也能够协助系统设计人员使用需要复杂电源配置设定的 IC。当电源模块以不同频率运作时，这些频率的总和与差异所造成的拍差频率(beat frequency)会使 EMI 滤波不易达成。图 5 显示两个讯号范例，第一个讯号的频率为 300 kHz，第二个讯号的频率为 301 kHz。拍差频率为 1 kHz。SmartSync 能够让设计人员将多个 T2 模块的切换频率同步为特定频率，经过同步的模块可消除拍差频率，并且使 EMI 滤波更容易达成。

图 5. 产生 1 kHz 拍差频率的两个 POL 电源模块。

SmartSync 允许将同步频率设定为高于或低于模块的一般自由运作频率。SmartSync 可用来为频率范围介于 240 到 400 kHz 之间的 T2 模块进行同步，因此能够让此设计发挥最佳化的模块效率，也可用于不让噪声敏感电路出现这类频率，以便将切换噪声保持在特定的范围 之外(也就是接收器的 IF 频率)。可一并同步的 T2 模块没有数量方面的限制。

这项技术的另一项优点是减少输入电容。T2 模块能够以不同的相位角度进行同步 (使用外部电路系统)。在某些应用中，这可平衡来源电流，并且能够使用较小的输入电容。

输出调节的改善

相较于前几代的 5% 容差，TI 的全新 TCI6482、FPGA、ASIC 及微处理器等先进 DSP 如今需要更小的 3% 核心电压 (VCC) 容差，这个容差必须包含由于静态 (DC) 与动态 (AC) 等操作条件变更而造成的所有输出电压偏差。为符合这项规格，T2 电源模块的设计必须达到更小的 1.5% DC 容差，作法包括设定点精确性、负载/线路调节、温度变化与长时间漂移。

如果 DC 容差为 1.5%，则由于瞬时负载造成的 AC 偏差必须小于 1.5%。全新的 T2 电源模块结合相当严格的 DC 调节与 TurboTrans 技术，可便于将任何运作条件下的输出电压维持在 3% 的容差内。所有 T2 电源模块都含有差动遥感(differential remote sense)，可协助在负载时维持这个高度精确性。

摘要

较新的处理系统目前都需要逐渐升高的电流负载来达到更快速的瞬时响应。一般的 POL 模块需要在装置的输出端增加大量电容，这意味着更高的电容成本与最大的印刷电路板空间。TI 的 T2 系列等最新一代 POL 模块能够让电源供应设计人员只需使用单一外部电阻，就能大幅地调整模块，以达到特定的瞬时负载需求。采用此类模块，最终可达到更快速的瞬时响应及更低的输出电压偏差，同时可减少五倍到八倍数量的电容，以节省电容成本与印刷电路板空间。此外，使用超低 ESR 聚合物钽质电容或陶瓷电容时的系统稳定性也会提升。

T2 模块可符合新一代 DSP 的建议输出电容。结合 TurboTrans 技术严格的 1.5% 容差能够维持 3% 的 VOUT 总容差，其中包括高速电流瞬时造成的电压偏差。借助 TurboTrans、Smart Sync 及 1.5% 调节等功能，德州仪器的 T2 模块不仅能够为高效能数字电路供电，也将大幅减少所需的成本与电路板空间。