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即使擁有簡(jiǎn)單易用的器件配合，但有時(shí)候仍然很難單憑計算去預計控制環(huán)路的穩定性。然而，有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以在無(wú)需使用昂貴的網(wǎng)絡(luò )分析儀下，計算出任何開(kāi)關(guān)電源的0dB交叉頻率及相位裕度。下面，我們將解釋設立測試電路的方法，以及除了負載瞬態(tài)測試外，還有什么方法可更深入了解某設計的控制環(huán)路穩定性。 負載點(diǎn)穩壓器的特性 一般的負載點(diǎn)電壓調節都會(huì )把諸如是5V的低輸入電壓降低至2.5V、1.8V、1.1V或甚至更低的輸出電壓，而不少要求低輸入電壓的應用均傾向使用大電流。FPGA及ASIC這兩種電路是設有負載點(diǎn)穩壓器的典型電源負載的例子，它們均具有特殊的電源管理要求，尤其是高性能的FPGA，一般均要求多個(gè)電源軌，例如芯核和輸入/輸出需要兩個(gè)電源軌是很常見(jiàn)的情況�？墒�，有些FPGA需要的電源軌數量更多，其真正的電流要求則視FPGA的實(shí)際用途而定。對于某些FPGA來(lái)說(shuō)，其他需要注意的地方包括供電電壓的單調啟動(dòng)及各電源軌的上電定序。 基于以上的要求，單靠一個(gè)電源管理電路實(shí)不足擔當FPGA或類(lèi)似負載的負載點(diǎn)電源。美國國家半導體的LM20000負載點(diǎn)穩壓器系列具備各種規格，能夠在設計過(guò)程中互相替換。假如FPGA的最終代碼在開(kāi)發(fā)期間被修改或被要求需要更大的電流時(shí)，可以改用LM20000系列中具備更大電流額定的成員，而此期間無(wú)需再花時(shí)間重新設計，因為系列中所有成員的特性均相互近似。假如一個(gè)系統采用多個(gè)不同的開(kāi)關(guān)頻率，便很容易產(chǎn)生諸如差拍現象等頻率問(wèn)題，而通過(guò)將多個(gè)負載點(diǎn)穩壓器同步化便可解決這一問(wèn)題。這些穩壓器將會(huì )起動(dòng)進(jìn)入一個(gè)具備單調斜波特性的預偏置負載，以防止出現某些FPGA或ASIC的鎖存或類(lèi)似行為。配合軟啟動(dòng)及追蹤功能，便能夠根據個(gè)別FPGA或ASIC的類(lèi)型來(lái)緊密控制起動(dòng)。圖1所示為一個(gè)典型的大電流負載點(diǎn)電源的例子。由于電源管理電路內同時(shí)包含了高邊及低邊功率晶體管，因此只需選用少量的外置元件及進(jìn)行簡(jiǎn)單的優(yōu)化程序便可。 對于一些不擅長(cháng)電源管理的設計人員來(lái)說(shuō)，他們確實(shí)需要一些支持去優(yōu)化電源的設計。例如，仿真工具可協(xié)助展現電源系統的實(shí)際特性，但由于仿真工具一般都不能夠直接地提供元件間的折衷建議。由此，比仿真能力更重要的設計支持是要協(xié)助設計人員找出最合適的外置元件。LM20000穩壓器系列可提供一個(gè) Excel格式的設計指導，可幫助設計人員迅速地挑選出最合適的外置元件并可計算出其可預測的穩定性。圖2表示出由美國國家半導體設計網(wǎng)站所提供的免費精簡(jiǎn)設計電子表單。 通過(guò)利用數學(xué)電子表單的方法可輕易地找出開(kāi)關(guān)電源的穩定性，尤其當設計人員擁有上述提及的工具時(shí)更是如此�？墒�，設計人員如何確定實(shí)際的硬件也擁有足夠的穩定性裕度?電子表格反映的只是用戶(hù)輸入變量的結果，但假如探討的是輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)，那么便很難從生產(chǎn)商獲得正確的數值，尤其當設計中有多個(gè)不同或相同ESR的電容器并聯(lián)在一起。如此，究竟作用在控制環(huán)路的總輸出電容器ESR是多少? 毫無(wú)疑問(wèn)，檢查電源設計穩定性的最佳方法是在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測量。測量的方法是采用一個(gè)普通的信號產(chǎn)生器和示波器去測量調節環(huán)路轉換函數的0dB交叉頻率及0dB交叉頻率的相位裕度。圖3所示為測量的設置。 將信號產(chǎn)生器的頻率設置在電源電路的開(kāi)關(guān)頻率以下，而波形應被設置成正弦波，其波幅位置則應被設置于變壓器T1后面(即位于A(yíng)及B點(diǎn))，正弦波的波幅應大約介乎30mV到100mV。接著(zhù)，將示波品的一個(gè)頻道連接到A點(diǎn)，而另一個(gè)則連接到B點(diǎn)，并將示波器設置成帶寬限制模式以防止開(kāi)關(guān)噪聲影響敏感的測量結果。最后，將示波器的單位設定到最小幅度，例如是每單位10 mV或20mV。 完成上述設置后便可啟動(dòng)LM20145或其他電源管理電路的電源并觀(guān)察示波器的屏幕。這時(shí)可看到一個(gè)正弦波出現在其中一個(gè)頻道上，而另外一個(gè)則可能是一條直線(xiàn)。接著(zhù)，把信號產(chǎn)生器的頻率從幾赫茲掃頻至電源開(kāi)關(guān)頻率的一半，視所采用的變壓器T1，正弦波的波幅會(huì )稍微地出現變化，這是由于變壓器的增益會(huì )隨頻率而改變。因此，當進(jìn)行掃頻時(shí)，有必要調節信號產(chǎn)生器的波幅以把注入信號的波幅維持在30mV 至 100mV的范圍內。 此外，當掃頻信號產(chǎn)生器的頻率時(shí)，應該可發(fā)現在某一個(gè)頻率下，示波器上的頻道A和頻道B會(huì )同時(shí)出現一個(gè)波幅一樣的正弦波，而在這個(gè)頻率下，電源控制環(huán)路的增益便等于1dB或 0dB。這一個(gè)點(diǎn)就得出了電源系統的帶寬。在這個(gè)頻率下，可以看見(jiàn)頻道A和頻道B之間發(fā)生了一個(gè)位移。利用示波器作繪圖，并將一個(gè)時(shí)間標記放到其中一條頻道的正弦波波峰上，同樣也把另一個(gè)時(shí)間標記放在另一個(gè)正弦波的波峰上。如此一來(lái)，測量出來(lái)的相位差角度便是電源轉換器轉換函數的相位裕度。 結論 現代的負載點(diǎn)穩壓器在建立FPGA和ASIC電源方面提供了很多出色的功能，有賴(lài)于這些先進(jìn)的部件，使得設計人員能夠輕松地對基本的電源管理設計作出改動(dòng)，而無(wú)需花時(shí)間重新設計整個(gè)電路。電子表單在篩選外置元件的過(guò)程中發(fā)揮了很大的作用，而對于檢查實(shí)際設計的穩定性，本文也展示了相關(guān)的簡(jiǎn)單測試步驟和低成本的標準測試裝備。 |
