引言

　　即使擁有簡單易用的器件配合，但有時候仍然很難單憑計算去預(yù)計控制環(huán)路的穩(wěn)定性。然而，有一個簡單的方法可以在無需使用昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀下，計算出任何開關(guān)電源的0dB交叉頻率及相位裕度。下面，我們將解釋設(shè)立測試電路的方法，以及除了負(fù)載瞬態(tài)測試外，還有什么方法可更深入了解某設(shè)計的控制環(huán)路穩(wěn)定性。

　　負(fù)載點" title="負(fù)載點">負(fù)載點穩(wěn)壓器的特性

　　一般的負(fù)載點電壓調(diào)節(jié)都會把諸如是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，一般均要求多個電源軌" title="電源軌">電源軌，例如芯核和輸入/輸出需要兩個電源軌是很常見的情況。可是，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的實際用途而定。對于某些FPGA來說，其他需要注意的地方包括供電電壓的單調(diào)啟動及各電源軌的上電定序。

　　基于以上的要求，單靠一個電源管理電路實不足擔(dān)當(dāng)FPGA或類似負(fù)載的負(fù)載點電源。美國國家半導(dǎo)體的LM20000負(fù)載點穩(wěn)壓器系列具備各種規(guī)格，能夠在設(shè)計過程中互相替換。假如FPGA的最終代碼在開發(fā)期間被修改或被要求需要更大的電流時，可以改用LM20000系列中具備更大電流額定的成員，而此期間無需再花時間重新設(shè)計，因為系列中所有成員的特性均相互近似。假如一個系統(tǒng)采用多個不同的開關(guān)頻率，便很容易產(chǎn)生諸如差拍現(xiàn)象等頻率問題，而通過將多個負(fù)載點穩(wěn)壓器同步化便可解決這一問題。這些穩(wěn)壓器將會起動進(jìn)入一個具備單調(diào)斜波特性的預(yù)偏置負(fù)載，以防止出現(xiàn)某些FPGA或ASIC的鎖存或類似行為。配合軟啟動及追蹤功能，便能夠根據(jù)個別FPGA或ASIC的類型來緊密控制起動。圖1所示為一個典型的大電流負(fù)載點電源的例子。由于電源管理電路內(nèi)同時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

　　對于一些不擅長電源管理的設(shè)計人員來說，他們確實需要一些支持去優(yōu)化電源的設(shè)計。例如，仿真工具可協(xié)助展現(xiàn)電源系統(tǒng)的實際特性，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)計支持是要協(xié)助設(shè)計人員找出最合適的外置元件。LM20000穩(wěn)壓器系列可提供一個Excel格式的設(shè)計指導(dǎo)，可幫助設(shè)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(yù)測的穩(wěn)定性。圖2表示出由美國國家半導(dǎo)體設(shè)計網(wǎng)站所提供的免費精簡設(shè)計電子表單。

　　利用示波器及信號產(chǎn)生器檢查穩(wěn)定性

　　通過利用數(shù)學(xué)電子表單的方法可輕易地找出開關(guān)電源的穩(wěn)定性，尤其當(dāng)設(shè)計人員擁有上述提及的工具時更是如此。可是，設(shè)計人員如何確定實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)計中有多個不同或相同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?

　　毫無疑問，檢查電源設(shè)計穩(wěn)定性的最佳方法是在實際環(huán)境中進(jìn)行測量。測量的方法是采用一個普通的信號產(chǎn)生器和示波器去測量調(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所示為測量的設(shè)置。

　　設(shè)置測量的第一步是加入一個小信號注入點，對此可通過把一個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)來完成。下一個步驟便是設(shè)置信號產(chǎn)生器，而在設(shè)置時必須在輸出端加入一個變壓器，以避免測試期間有任何的直流電從電路流到信號產(chǎn)生器。在這里的變壓器T1并不需要很精密，一個簡單的離線式200V至12V變壓器便足以應(yīng)付，而其他簡單的變壓器也可應(yīng)對有如。

　　將信號產(chǎn)生器的頻率設(shè)置在電源電路的開關(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)，正弦波的波幅應(yīng)大約介乎30mV到100mV。接著，將示波品的一個頻道連接到A點，而另一個則連接到B點，并將示波器設(shè)置成帶寬限制模式以防止開關(guān)噪聲影響敏感的測量結(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LM20145或其他電源管理電路的電源并觀察示波器的屏幕。這時可看到一個正弦波出現(xiàn)在其中一個頻道上，而另外一個則可能是一條直線。接著，把信號產(chǎn)生器的頻率從幾赫茲掃頻至電源開關(guān)頻率的一半，視所采用的變壓器T1，正弦波的波幅會稍微地出現(xiàn)變化，這是由于變壓器的增益會隨頻率而改變。因此，當(dāng)進(jìn)行掃頻時，有必要調(diào)節(jié)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(nèi)。

　　此外，當(dāng)掃頻信號產(chǎn)生器的頻率時，應(yīng)該可發(fā)現(xiàn)在某一個頻率下，示波器上的頻道A和頻道B會同時出現(xiàn)一個波幅一樣的正弦波，而在這個頻率下，電源控制環(huán)路的增益便等于1dB或 0dB。這一個點就得出了電源系統(tǒng)的帶寬。在這個頻率下，可以看見頻道A和頻道B之間發(fā)生了一個位移。利用示波器作繪圖，并將一個時間標(biāo)記放到其中一條頻道的正弦波波峰上，同樣也把另一個時間標(biāo)記放在另一個正弦波的波峰上。如此一來，測量出來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，有賴于這些先進(jìn)的部件，使得設(shè)計人員能夠輕松地對基本的電源管理設(shè)計作出改動，而無需花時間重新設(shè)計整個電路。電子表單在篩選外置元件的過程中發(fā)揮了很大的作用，而對于檢查實際設(shè)計的穩(wěn)定性，本文也展示了相關(guān)的簡單測試步驟和低成本的標(biāo)準(zhǔn)測試裝備。