如何确定目标阻抗?

文摘   科技   2024-11-11 18:55   浙江  

目标阻抗

电源目标阻抗是衡量单板电源分配网络设计是否OKKPI,那么设计单板电源分配网络的第一步就是需要:确定目标阻抗 

目标阻抗的确定

电源系统必须针对所有器件的各个电压轨道进行独立设计,因为不同器件消耗电流可能不相同,同时器件消耗电流的频谱非常宽,不同频率消耗电流的大小跟器件的工作频率,管脚输出信号翻转频率等相关。

是的,其实说了半天我们也还不知道这目标阻抗到底是个啥,具体是怎么来的。

前面所有的这些都只是在假设有这么一个明确的东西;其实这货到底有没有,还不一定哪

单板电源分配网络阻抗与电流消耗频谱无关,但电源分配网络阻抗会随着电流频谱发生变化(如下图所示)。

而纹波电压是:消耗电流和电源分配网络阻抗的叠加(V=I*R),最终决定了器件管脚端噪声的大小。

需要注意的是:电流与电源分配网络阻抗的高频部分相互作用,并不是峰值电流,而是最大瞬变(跳变)电流

直流/低频可以通过电源模块(远端)反馈补偿,而高频部分则需要通过与单板电源分配网络阻抗发生作用:

Ztarget < VDD * ripple%/Itransient

我们最好是使用最大瞬变电流去估计目标阻抗,但这个值明显不是所有器件资料都能给出来的,所以只能用器件最大消耗电流进行粗略估算:

Itransient ≈ (1/2)* IMAX

根据:

Ipeak = Pmax/VDD

Ztarget(ƒ) < VDD * ripple%/Itransient 

= 2* VDD * ripple% * VDD/ Pmax

若纹波指数为5%,那么我们得到了估算器件目标阻抗:

Ztarget(ƒ)=0.1*VDD²/Pmax

如下图所示为相同消耗电流和单板电源分配网络阻抗下的不同噪声表现。

1. 首先大家看到单板电源分配网络阻抗是一条随频率变化的曲线:表示在不同频率点下,其电流响应的能力,阻抗越小说明单板电源分配网络的响应速度越快

那大家可能会有一个疑问,为什么电源供给到器件还需要响应时间呢?不应该随叫随到才是的么:

1, 首先,电源模块输出响应时间不够:举个栗子,器件对电源电流的需求从1A突然上升到了20A,而电源模块要提供20A电流,是不可能瞬时就能输出来的,正常情况下它需要先检测到输出电压跌落(电压反馈模式),然后通过几个周期来调整PWM占空比来加大输出电流,来提升输出电压(ms级别响应)。

2, 其次,单板电源分配网络上存在寄生电感:电感的特性大家都知道是电流不能突变;当器件端电流需求突然增加,而电源模块到器件管脚之间电感的阻抗大到阻碍了电流从电源模块输出,导致产生压降。所以为了减小电感的影响,需要在器件管脚端放置去耦电容,就近提供瞬时电流。

3, 最后,所以不同频段对应单板电源分配网络的部分是不同的,同时同一个电容对不同频率点的阻抗也不一样,我们就看到了单板电源分配网络是一条比较奇怪的曲线。

2. 在曲线下方,看到在不同频点有很多的毛刺,这是器件电源瞬变电流大小;我们最终呈现出来的噪声大小,是所有频段单板电源分配网络阻抗与电流的叠加

当器件瞬变电流峰值与电源分配网络电阻峰值刚好重合时,那么会出现更大的噪声

3. 对于单板电源分配网络阻抗的设计,我们的目标是:在相当大带宽内保持低于目标阻抗

1, 超过会导致纹波超标,而远小于则可能导致过度设计,增加不必要成本;

2, 如果再精确设计:将电源分配网络阻抗的高点与瞬变峰值电流分布错开,当然能获得更好的效果,但这往往只是个人的YY,一般设计很难达到。

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