【導(dǎo)讀】在本文中，我們探討了當(dāng)電源位于被測(cè)器件數(shù)英尺遠(yuǎn)時(shí)，它向動(dòng)態(tài)負(fù)載提供穩(wěn)定電壓時(shí)會(huì)遇到的難題。盡管負(fù)載引線阻抗可能會(huì)嚴(yán)重降低高性能電源的瞬時(shí)響應(yīng)性能，您仍能能夠通過(guò)合理的配置，為被測(cè)件提供符合測(cè)試指標(biāo)要求的、穩(wěn)定的供電。通過(guò)在被測(cè)件端，并聯(lián)一個(gè)合適大小和特性的旁路電容，即便被測(cè)件的消耗電流出現(xiàn)快速瞬時(shí)的現(xiàn)象，也能極大改進(jìn)輸入負(fù)載的電壓穩(wěn)定性。
如今，很多的IC運(yùn)行速度要比以往快很多，但伴隨而來(lái)的就是更高的工作電流。由于IC工作的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性，對(duì)電源在大范圍功率動(dòng)態(tài)變化工作條件下的穩(wěn)定性提出了更高的需求。工程師如果利用普通的程控電源為被測(cè)件供電并進(jìn)行測(cè)試時(shí)，往往會(huì)遇到巨大的挑戰(zhàn)。IC電路高速變化的電流耗電波形會(huì)導(dǎo)致輸入電壓出現(xiàn)瞬態(tài)壓降。如果壓降過(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致微處理器工作出現(xiàn)異常，或出現(xiàn)重復(fù)啟動(dòng)的現(xiàn)象。本文將詳細(xì)介紹這種瞬態(tài)壓降產(chǎn)生的原因，以及如何有效減輕瞬態(tài)壓降的方法。
優(yōu)化負(fù)載接線和旁路電容
在多數(shù)情況下，由于測(cè)試環(huán)境、布線及物理尺寸等因素的限制，電源往往放置在距離被測(cè)IC電路1至幾米的地方，使用長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的導(dǎo)線連接電源和被測(cè)件。導(dǎo)線本身的阻抗會(huì)降低被測(cè)件IC端的實(shí)際電壓。因此，幾乎所有的高性能程控電源均具備遠(yuǎn)端回讀功能，通過(guò)接在電源遠(yuǎn)端感應(yīng)端和被測(cè)件端的感應(yīng)線，測(cè)得負(fù)載端的實(shí)際電壓，并在電源的輸出端做出相應(yīng)的調(diào)整和補(bǔ)償。在實(shí)際應(yīng)用中，感應(yīng)線的連接點(diǎn)要盡可能接近IC。然而，電源的電壓調(diào)整環(huán)路只能在可控的帶寬范圍內(nèi)，抑制感應(yīng)點(diǎn)上的電壓瞬變。當(dāng)電源輸出和負(fù)載之間的導(dǎo)線呈現(xiàn)出過(guò)高阻抗時(shí)，IC的本地旁路電容能夠在這些頻率上降低這些阻抗。
以一個(gè)具有25A供電，伴有5A瞬變電流的負(fù)載應(yīng)用為例。其中，電源電壓設(shè)為 2.5V，通過(guò)5英尺長(zhǎng)的14AWG布線連接至IC測(cè)試板。由于是低電壓供電，如果電壓有超過(guò)100mV的跌落，通常是不可接受的。14AWG線每英尺的電阻為2.5mΩ，由此，在電源輸出和IC測(cè)試板之間的導(dǎo)線回路存在25mΩ電阻。根據(jù)歐姆定律，我們可以計(jì)算出導(dǎo)向回路上可能出現(xiàn)的壓降：
可以看出，負(fù)載導(dǎo)線回路電阻足以導(dǎo)致IC電路的電源輸入端出現(xiàn)難以接受的壓降；還有一點(diǎn)必須考慮的是負(fù)載導(dǎo)線上的電感。在這種情況下大約每英尺170nH， 這只會(huì)讓情況變得更糟。旁路電容（如圖1所示）可以在一定程度上顯著改善這一狀況。
圖 1. 負(fù)載引線網(wǎng)絡(luò)與旁路電容器
電源電壓控制回路、負(fù)載導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)和旁路電容之間的交互較為復(fù)雜。一些近似值能夠幫助您了解如何選擇旁路電容的大小：
具體過(guò)程如下：
1. 網(wǎng)絡(luò)阻抗峰值的計(jì)算
根據(jù)下面的表達(dá)式，確定負(fù)載導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)的指定峰值阻抗和旁路電容：
2. 計(jì)算旁路電容值
將指定峰值阻抗設(shè)為等同于由負(fù)載引線電感和旁路電容組成LC電路的特性阻抗。在本例中，假設(shè)有4條并聯(lián)雙絞線電纜運(yùn)行，電感降低為原來(lái)的1/4。根據(jù)下面的公式，得出電容值。
3. 計(jì)算諧振電路的諧振頻率
如果電源輸出阻抗在LC電路諧振頻率上高于 Zpeak，必須提高電容，以降低儲(chǔ)能電路諧振頻率，直至滿足上述條件。
4. 選擇指定的電容等效串聯(lián)電阻（ESR），以適當(dāng)衰減 LC電路的諧振
衰減不當(dāng)?shù)腖C電路會(huì)出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，也會(huì)破壞電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性，因此，必須適當(dāng)衰減LC諧振。負(fù)載引線電阻、電容的ESR都會(huì)衰減LC電路的諧振。將LC電路中的電阻設(shè)為等同于LC電路的特性阻抗，可以得到0.5的阻尼系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)和更低的峰值電壓。
如果需要的話，可以并聯(lián)不同的電容組合，以達(dá)到期望的ESR值。
結(jié)果
圖 2 顯示了在使用 Agilent N7950A APS 動(dòng)態(tài)直流電源時(shí)，負(fù)載上的電壓瞬態(tài)響應(yīng)。電源在設(shè)計(jì)中，專為低電壓和高電流的工作特性進(jìn)行了而優(yōu)化，具有極低的輸出阻抗，非常適合本應(yīng)用。
圖中顯示利用N7950A APS電源給被測(cè)件供電，電壓是2.5V。電流偏置是25A，電流的瞬態(tài)變化時(shí)5A。它們使用一對(duì)5英尺長(zhǎng)、并行的14-AWG 雙絞線電纜供電，還有另外一對(duì)相同的遠(yuǎn)端感應(yīng)線。在這里，我們可以明顯看到三種情景：
圖2. 5A瞬時(shí)電流變化時(shí)，電壓的瞬態(tài)響應(yīng)
第一種情景（絳紅色的跡線）：在負(fù)載端并聯(lián)了一個(gè)2000uF/10mOhm ESR的電容，可以看到負(fù)載端電壓瞬態(tài)跌落是大約為2%，50mV。
第二種情景（深藍(lán)色的跡線）：在負(fù)載端并聯(lián)了一個(gè)539uF/15mOhm ESR的電容，可以看到負(fù)載端電壓瞬態(tài)跌落是大約為4%，90mV。
第三種情景（淡藍(lán)色的跡線）：沒(méi)有并聯(lián)電容，可以看到負(fù)載端電壓瞬態(tài)跌落是大約為6.5%，130mV。
因此，當(dāng)負(fù)載端并聯(lián)的旁路電容高出4倍后，可使LC電路阻抗下降為原來(lái)的1/2左右，很大程度上改善了電壓的瞬態(tài)壓降。
