摘要

本文展現(xiàn)了在無線尤其是在射頻領(lǐng)域應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)超快速電源瞬態(tài)響應(yīng)的實(shí)用方法。其旨在解決由于電源瞬態(tài)消隱時(shí)間，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)者帶來的信號(hào)處理效率低下的問題與挑戰(zhàn)。針對(duì)不同的應(yīng)用，ADI提出了相應(yīng)的示例解決方案，并引入了Silent Switcher 3單片電源產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)最佳瞬態(tài)性能。 

簡介

信號(hào)處理單元和片上系統(tǒng)(SoC)單元通常具有突然改變的負(fù)載瞬態(tài)變化。這種負(fù)載瞬態(tài)變化將干擾電源電壓，而電源電壓在射頻(RF)應(yīng)用中極其重要，這種變化的電源電壓又會(huì)高度影響時(shí)鐘頻率，致使射頻片上系統(tǒng)(RFSoCs)通常在負(fù)載瞬態(tài)過程中使用消隱時(shí)間。在5G應(yīng)用中，信息質(zhì)量與過渡區(qū)間中的消隱時(shí)間高度相關(guān)。因此，對(duì)于任何射頻片上系統(tǒng)(RFSoC)來說，越來越需要減少電源側(cè)的負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)，以提高系統(tǒng)級(jí)性能。本文將介紹幾種在射頻應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電源快速瞬態(tài)響應(yīng)的方法。

用于射頻應(yīng)用的快速瞬態(tài)Silent Switcher 3系列

實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)電源軌的最直接方法之一是選擇具有快速瞬態(tài)性能的穩(wěn)壓器。Silent Switcher 3系列IC具有極低頻輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)、低EMI輻射和高效的特性。它采用超高性能誤差放大器設(shè)計(jì)，即使采用激進(jìn)的補(bǔ)償方法也能提供額外的穩(wěn)定性。4MHz的最大開關(guān)頻率使IC能夠在固定頻率峰值電流控制模式下將控制環(huán)路的帶寬推至50kHz的范圍。表1列出了設(shè)計(jì)人員可以選擇用以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)性能的 Silent Switcher 3 IC。

表1.Silent Switcher 3系列參數(shù)

圖1顯示了基于LT8625SP用于5G RFSoC的典型1V輸出電源，其同時(shí)需要滿足快速瞬態(tài)響應(yīng)和低紋波/噪聲水平。1V的負(fù)載由發(fā)射/接收相關(guān)電路以及本振(LO)和壓控振蕩器(VCO)組成。發(fā)射/接收負(fù)載會(huì)在頻分雙工 (FDD) 操作中出現(xiàn)負(fù)載電流突變。同時(shí)，LOs/VCOs負(fù)載恒定，但要求極高精度與極低噪聲。LT8625SP的高帶寬特性使設(shè)計(jì)人員能夠使用第二電感(L2)分離動(dòng)態(tài)負(fù)載和靜態(tài)負(fù)載，從而在單個(gè)IC上為兩個(gè)關(guān)鍵的1V負(fù)載組供電。圖2顯示了4A到6A動(dòng)態(tài)負(fù)載瞬態(tài)的輸出電壓響應(yīng)。5us內(nèi)動(dòng)態(tài)負(fù)載即可恢復(fù)，且峰值電壓小于0.8%，這最小化了對(duì)靜態(tài)負(fù)載側(cè)的影響，峰值電壓僅小于0.1%?？赏ㄟ^改進(jìn)此電路，用以適應(yīng)其他輸出組合，如0.8V和1.8V，由于低頻范圍的超低噪聲、低電壓紋波和超快瞬態(tài)響應(yīng)，因而無需達(dá)到LDO穩(wěn)壓器級(jí)均可直接為RFSoC供電。                                              

圖1.LT8625SP的典型應(yīng)用電路，動(dòng)態(tài)/靜態(tài)射頻負(fù)載分離

圖2.負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)很快，V_OUT偏差極小，不會(huì)影響靜態(tài)負(fù)載

在時(shí)分雙工(TDD)模式下，與噪聲緊密相關(guān)的LO/VCO會(huì)隨著發(fā)送/接收模式的變化而加載和卸載。因此，可以使用圖3所示的簡化電路，因?yàn)樗胸?fù)載都被視為動(dòng)態(tài)負(fù)載，同時(shí)更急切需要后置濾波來保持LO/VCO的低紋波/低噪聲特性。饋通模式下的3端子電容器可實(shí)現(xiàn)足夠的后置濾波，其最小化的等效L可保持負(fù)載瞬態(tài)的快速帶寬。饋通電容與遠(yuǎn)端輸出電容一起形成了另外兩個(gè)LC濾波電路，而所有Ls都來自3端電容的等效串聯(lián)電感(ESL)，其極小因而對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的危害較小。圖3還說明了Silent Switcher 3系列的簡單遠(yuǎn)程檢測連接。由于獨(dú)特的參考輸出和反饋技術(shù)，只需將SET引腳電容(C1)的接地和OUTS引腳開爾文連接到所需的遠(yuǎn)程反饋點(diǎn)。此種連接無需電平轉(zhuǎn)換電路。圖4顯示了1A負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形，恢復(fù)時(shí)間小于5us，輸出電壓紋波小于1mV。

圖3.LT8625SP的典型應(yīng)用電路，動(dòng)態(tài)/靜態(tài)射頻負(fù)載合并 

圖4.饋通電容可提升瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)保持最小輸出電壓紋波

通過預(yù)充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)Silent Switcher 3系列IC實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)

在某些情況下，若信號(hào)處理單元功能強(qiáng)大、同時(shí)具有足夠的引腳(GPIO)，并且信號(hào)處理方式合理得當(dāng)，就可以預(yù)知瞬態(tài)發(fā)生。這通常發(fā)生在一些FPGA的電源設(shè)計(jì)中，其中可生成預(yù)充電信號(hào)輔助驅(qū)動(dòng)電源瞬態(tài)響應(yīng)。圖5為一類典型應(yīng)用電路，該電路使用FPGA生成的預(yù)充電信號(hào)在實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)換發(fā)生之前提供偏置，以便LT8625SP可以有額外的時(shí)間來適應(yīng)負(fù)載擾動(dòng)，而不會(huì)產(chǎn)生過大的輸出電壓(VOUT)偏差和恢復(fù)時(shí)間。由于預(yù)充電信號(hào)對(duì)反饋造成干擾，因此省略了從FPGA的管腳(GPIO)到逆變器輸入的調(diào)諧電路。電平控制為35mV。此外，為了避免預(yù)充電信號(hào)對(duì)穩(wěn)態(tài)的影響，在預(yù)充電信號(hào)和OUTS之間設(shè)置了一個(gè)高通濾波器。圖6顯示了1.7A至4.2A負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形。預(yù)充電信號(hào)在實(shí)際負(fù)載瞬態(tài)之前施加到反饋端(OUTS)，其恢復(fù)時(shí)間小于5us。

圖5.T8625SP將預(yù)充電信號(hào)饋入OUTS引腳以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng) 

圖6.預(yù)充電信號(hào)和負(fù)載瞬態(tài)同時(shí)影響LT8625SP，實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)時(shí)間

電路主動(dòng)降壓以實(shí)現(xiàn)超快速恢復(fù)瞬態(tài)

在波束形成器應(yīng)用中，電源電壓為適應(yīng)不同的功率水平時(shí)刻變化。因此，對(duì)電源電壓的精度要求通常為5%至10%的區(qū)間。在此應(yīng)用中，穩(wěn)定性比電壓精度更重要，在負(fù)載瞬態(tài)期間最小化恢復(fù)時(shí)間將最大限度地提高數(shù)據(jù)處理效率。降壓電路非常適合此應(yīng)用，因?yàn)橄陆惦妷嚎蓽p少甚至消除恢復(fù)時(shí)間。如圖7所示LT8627SP的主動(dòng)降壓電路的原理圖。在誤差放大器的負(fù)輸入端(OUTS)和輸出端(VC)之間添加了一個(gè)額外的降壓電阻，以在瞬態(tài)期間保持反饋控制環(huán)路中的穩(wěn)態(tài)誤差。下降電壓可表示為：

圖7.LT8627SP的OUTS和VC之間放置一個(gè)主動(dòng)降壓電阻，以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間

ΔV_OUT是負(fù)載瞬態(tài)引起的初始電壓變化，ΔI_OUT是負(fù)載瞬態(tài)電流，g是用于切換電流增益的VC引腳。設(shè)計(jì)圖7所示的降壓電路時(shí)，需要特別考慮以下幾點(diǎn)：

?      下降電流不應(yīng)超過VC引腳電流限值。對(duì)于LT8627SP的誤差放大器輸出，最好將電流限制在200μA以下以避免飽和，這可以通過改變R7和R8的值來實(shí)現(xiàn)。

?      下降電壓需要適應(yīng)輸出電容，以便瞬態(tài)期間的電壓偏差與下降電壓大致接近，從而在瞬態(tài)期間實(shí)現(xiàn)最短恢復(fù)時(shí)間。

圖8顯示了上述電路在1A至16A至1A負(fù)載瞬態(tài)期間的典型波形。值得注意的是，現(xiàn)在16A至1A負(fù)載瞬態(tài)速度不再受帶寬限制，但受穩(wěn)壓器最短導(dǎo)通時(shí)間限制。

圖8.可以實(shí)現(xiàn)降壓瞬態(tài)響應(yīng)，以最大限度地縮短LT8627SP的瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間

結(jié)論

由于高速信號(hào)處理的時(shí)間關(guān)鍵特性，無線射頻領(lǐng)域正變得越來越依賴計(jì)算，并對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間敏感。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨著提高電源瞬態(tài)響應(yīng)速度以最小化消隱時(shí)間的挑戰(zhàn)。Silent Switcher 3系列是下一代單片穩(wěn)壓器，針對(duì)無線、工業(yè)與醫(yī)療保健領(lǐng)域的噪聲敏感、強(qiáng)動(dòng)態(tài)負(fù)載瞬態(tài)解決方案進(jìn)行了優(yōu)化。依據(jù)負(fù)載條件，可以應(yīng)用特殊技術(shù)和電路進(jìn)一步改善瞬態(tài)響應(yīng)。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)在現(xiàn)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)的中心發(fā)揮重要作用，憑借其種類豐富的模擬與混合信號(hào)、電源管理、RF、數(shù)字與傳感技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成有行動(dòng)意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬家客戶，在工業(yè)、通信、汽車與消費(fèi)市場提供超過7.5萬種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。 

關(guān)于作者

Xinyu Liang是ADI公司工業(yè)和多市場部門的應(yīng)用工程經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)電源產(chǎn)品。他于2018年獲得美國北卡羅來納州立大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，并在畢業(yè)后于2019年開啟在ADI公司的職業(yè)生涯。