引言
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(jì)算去預(yù)計(jì)控制環(huán)路的穩(wěn)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(jì)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(shè)立測(cè)試電路的方法，以及除了負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試外，還有什么方法可更深入了解某設(shè)計(jì)的控制環(huán)路穩(wěn)定性。
負(fù)載點(diǎn)" title="負(fù)載點(diǎn)">負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的特性
一般的負(fù)載點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)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(yīng)用均傾向使用大電流。FPGA及ASIC這兩種電路是設(shè)有負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器的典型電源負(fù)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" title="電源軌">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(shù)量更多，其真正的電流要求則視FPGA的實(shí)際用途而定。對(duì)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(diào)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(dān)當(dāng)FPGA或類(lèi)似負(fù)載的負(fù)載點(diǎn)電源。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM20000負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器系列具備各種規(guī)格，能夠在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，因?yàn)橄盗兄兴谐蓡T的特性均相互近似。假如一個(gè)系統(tǒng)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(xiàn)象等頻率問(wèn)題，而通過(guò)將多個(gè)負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器同步化便可解決這一問(wèn)題。這些穩(wěn)壓器將會(huì)起動(dòng)進(jìn)入一個(gè)具備單調(diào)斜波特性的預(yù)偏置負(fù)載，以防止出現(xiàn)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(jù)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(fù)載點(diǎn)電源的例子。由于電源管理電路內(nèi)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。
降壓穩(wěn)壓器" title="降壓穩(wěn)壓器">降壓穩(wěn)壓器及其穩(wěn)定性檢測(cè)方法" height="195" onclick="get_larger(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20100914/8a1ba4a7-6d60-46ab-8a22-8ddb6dc2287b.jpg" width="375" />
遠(yuǎn)比電路本身更加復(fù)雜的解決方案
對(duì)于一些不擅長(zhǎng)電源管理的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。例如，仿真工具可協(xié)助展現(xiàn)電源系統(tǒng)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(shè)計(jì)支持是要協(xié)助設(shè)計(jì)人員找出最合適的外置元件。LM20000穩(wěn)壓器系列可提供一個(gè)Excel格式的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，可幫助設(shè)計(jì)人員迅速地挑選出最合適的外置元件并可計(jì)算出其可預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性。圖2表示出由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體設(shè)計(jì)網(wǎng)站所提供的免費(fèi)精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)電子表單。
利用示波器及信號(hào)產(chǎn)生器檢查穩(wěn)定性
通過(guò)利用數(shù)學(xué)電子表單的方法可輕易地找出開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性，尤其當(dāng)設(shè)計(jì)人員擁有上述提及的工具時(shí)更是如此?？墒牵O(shè)計(jì)人員如何確定實(shí)際的硬件也擁有足夠的穩(wěn)定性裕度?電子表格反映的只是用戶(hù)輸入變量的結(jié)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(shù)值，尤其當(dāng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)穩(wěn)定性的最佳方法是在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的方法是采用一個(gè)普通的信號(hào)產(chǎn)生器和示波器去測(cè)量調(diào)節(jié)環(huán)路轉(zhuǎn)換函數(shù)的0dB交叉頻率及0dB交叉頻率的相位裕度。圖3所示為測(cè)量的設(shè)置。
設(shè)置測(cè)量的第一步是加入一個(gè)小信號(hào)注入點(diǎn)，對(duì)此可通過(guò)把一個(gè)20歐姆的 電阻器放置在輸出電壓與高邊反饋電阻器高邊連接端之間的反饋路徑內(nèi)來(lái)完成。下一個(gè)步驟便是設(shè)置信號(hào)產(chǎn)生器，而在設(shè)置時(shí)必須在輸出端加入一個(gè)變壓器，以避免測(cè)試期間有任何的直流電從電路流到信號(hào)產(chǎn)生器。在這里的變壓器T1并不需要很精密，一個(gè)簡(jiǎn)單的離線式200V至12V變壓器便足以應(yīng)付，而其他簡(jiǎn)單的變壓器也可應(yīng)對(duì)有如。
將信號(hào)產(chǎn)生器的頻率設(shè)置在電源電路的開(kāi)關(guān)頻率以下，而波形應(yīng)被設(shè)置成正弦波" title="正弦波">正弦波，其波幅位置則應(yīng)被設(shè)置于變壓器T1后面(即位于A及B點(diǎn))，正弦波的波幅應(yīng)大約介乎30mV到100mV。接著，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(shè)置成帶寬限制模式以防止開(kāi)關(guān)噪聲影響敏感的測(cè)量結(jié)果。最后，將示波器的單位設(shè)定到最小幅度，例如是每單位10 mV或20mV。
完成上述設(shè)置后便可啟動(dòng)LM20145或其他電源管理電路的電源并觀察示波器的屏幕。這時(shí)可看到一個(gè)正弦波出現(xiàn)在其中一個(gè)頻道上，而另外一個(gè)則可能是一條直線。接著，把信號(hào)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(xiàn)變化，這是由于變壓器的增益會(huì)隨頻率而改變。因此，當(dāng)進(jìn)行掃頻時(shí)，有必要調(diào)節(jié)信號(hào)產(chǎn)生器的波幅以把注入信號(hào)的波幅維持在30mV 至 100mV的范圍內(nèi)。
此外，當(dāng)掃頻信號(hào)產(chǎn)生器的頻率時(shí)，應(yīng)該可發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(biāo)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(biāo)記放在另一個(gè)正弦波的波峰上。如此一來(lái)，測(cè)量出來(lái)的相位差角度便是電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換函數(shù)的相位裕度。
結(jié)論
現(xiàn)代的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)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(shè)計(jì)人員能夠輕松地對(duì)基本的電源管理設(shè)計(jì)作出改動(dòng)，而無(wú)需花時(shí)間重新設(shè)計(jì)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(duì)于檢查實(shí)際設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，本文也展示了相關(guān)的簡(jiǎn)單測(cè)試步驟和低成本的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試裝備。