如何在高动态负载瞬变条件下优化供电质量

如今的集成电路运行速度要比以往快很多，这对电源在高动态功率工作条件下工作的稳定性提出了更高的需求。工程师如果利用普通的程控电源为被测件供电并进行测试时，往往会遇到巨大的挑战。集成电路高速变化的电流耗电波形会导致输入电压出现瞬态压降。如果压降过高，将会导致微处理器测试结果异常，或出现重复启动的现象。本文将详细介绍压降产生的原因，以及如何有效减轻压降的方法。

优化负载接线和旁路电容

在多数情况下，由于测试环境和物理尺寸等因素的限制，电源往往放置在距离被测IC电路几英尺的地方，使用长达数英尺的负载引线连接电源和被测件。负载引线布线阻抗能够快速降低IC的实际源阻抗。几乎所有的高性能程控电源均具备远端感应引线输入，通过远端感应测量出IC端的实际电压，并在电源的输出端做出相应的调整和补偿。在实际应用中，感应线的连接点要尽可能接近IC。然而，电源的电压调整环路只能在可控的带宽范围内，抑制感应点上的电压瞬变。当电源输出和负载引线呈现出过高阻抗时，IC的本地旁路电容器能够在这些频率上提供低阻抗。

以一个具有25A供电，伴有5A瞬变电流的应用为例。其中，电源电压设为2.5V，通过5英尺长的14 AWG布线连接至IC测试板。由于这属于低电压供电，因此如果电压有超过100mV的跌落，通常是不可接受的。14AWG线每英尺的电阻为2.5mΩ，由此，在电源输出和IC测试板之间的环路负载引线具有25 mΩ电阻。根据欧姆定律，我们可以计算出环路负载引线上可能出现的压降：

可以看出，负载引线电阻足以导致IC电路的电源输入端出现难以接受的压降；况且，负载引线上的电感(大约每英尺170Nh)只会让情况变得更糟。旁路电容(如图1所示)可以显著改善这一状况。

图1：负载引线网络与旁路电容器。

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电源电压控制环路、负载引线网络和旁路电容之间的交互较为复杂。一些近似值能够帮助您了解如何选择旁路电容的大小。过程如下：

1. 计算峰值网络阻抗

根据下面的表达式，确定负载引线网络的指定峰值阻抗和旁路电容：

2. 计算旁路电容值

将指定峰值阻抗设为等同于由负载引线电感和旁路电容组成LC电路的特性阻抗。在本例中，假设有4条并联双绞线电缆运行，电感降低为原来的1/4。根据下面的公式，得出电容值。

3. 计算谐振电路的谐振频率

如果电源输出阻抗在LC电路谐振频率上高于 Zpeak，必须提高电容，以降低储能电路谐振频率，直至满足上述条件。

4. 选择指定的电容等效串联电阻（ESR），以适当衰减 LC电路的谐振

衰减不当的LC电路会出现振铃现象，也会破坏电源控制环路的稳定性，因此，必须适当衰减LC谐振。负载引线电阻、电容的ESR都会衰减LC电路的谐振。将LC电路中的电阻设为等同于LC电路的特性阻抗，可以得到0.5的阻尼系数，以实现更快的响应和更低的峰值电压。

如果需要的话，可以并联不同的电容组合，以达到期望的ESR值。

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结果

图2显示了在使用 Agilent N7950A APS 动态直流电源时，负载上的电压瞬态响应。电源在设计中，专为低电压和高电流的工作特性进行了而优化，具有极低的输出阻抗，非常适合本应用。

图中显示利用N7950A APS电源给被测件供电，电压是2.5V。电流偏置是25A，电流的瞬态变化时5A。它们使用一对5英尺长、并行的14-AWG双绞线电缆供电，还有另外一对相同的远端感应线。在这里，我们可以明显看到三种情景：

图2：5A瞬时电流变化时， 电压的瞬态响应。

第一种情景(绛红色的迹线)：在负载端并联了一个2000μF/10mΩ ESR的电容，可以看到负载端电压瞬态跌落是大约为2%，50mV。第二种情景(深蓝色的迹线)：在负载端并联了一个539μF/15mΩ ESR的电容，可以看到负载端电压瞬态跌落是大约为4%，90mV。第三种情景(淡蓝色的迹线)：没有并联电容，可以看到负载端电压瞬态跌落是大约为6.5%，130mV。

因此，当负载端并联的旁路电容高出4倍后，可使LC电路阻抗下降为原来的1/2左右，很大程度上改善了电压的瞬态压降。

总结

在本文中，我们探讨了当电源位于被测器件数英尺远时，它向动态负载提供稳定电压时会遇到的难题。尽管负载引线阻抗可能会严重降低高性能电源的瞬时响应性能，您仍能能够通过合理的配置， 为被测件提供符合测试指标要求的、稳定的供电。通过在被测件端，并联一个合适大小和特性的旁路电容，即便被测件的消耗电流出现快速瞬时的现象，也能极大改进输入负载的电压稳定性。

作者：Peyman Safa

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