Power-Tipps von TI, Teil 42 Umgang mit hohen dI/dt-Lasttransienten

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Bei vielen Prozessoren (CPUs) erfordern die Spezifikationen, dass die Stromversorgung große, sich schnell ändernde Ausgangsströme liefert, typischerweise bei einer Änderung des Prozessor-Betriebsmodus. In einem System mit 1-Volt Ausgangsspannung kann es beispielsweise erforderlich sein, für einen Lasttransienten von 100 A/µS die Versorgungsspannung in einem Rahmen von drei Prozent zu stabilisieren. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems ist die Feststellung, dass es sich dabei nicht nur um ein Stromversorgungs- sondern auch um ein Stromverteilungsproblem handelt, und dass beide miteinander verflochten sind.

Die Auswirkung dieser hohen di/dt-Anforderungen ist, dass die Spannungsquelle nur eine sehr geringe Induktivität besitzen darf. Wir formen den folgenden Ausdruck um und lösen nach der zulässigen Induktivität der Quelle auf:

Im Pfad des schnellen Lasttransienten darf eine maximale Induktivität von 0,3 nH vorliegen. Zum Vergleich: Die Induktivität einer 0,25 cm breiten Leiterbahn auf einer vierlagigen Platine beträgt ca. 0,3 nH/cm. Die typische Induktivität eines Bonddrahtes in einem IC-Gehäuse liegt im Bereich von 1 nH, und Durchgänge in einer Platine bei etwa 0,2 nH.

Außerdem gibt es eine Reiheninduktivität bei Bypass-Kondensatoren, wie in Bild 1 dargestellt. Die obere Kurve stellt den Widerstand eines einzelnen X5R-1210-Keramikkondensators mit 22 µF, und 16 V dar, der auf einer vierlagigen Platine verlötet ist. Wie erwartet verringert sich der Impedanz unterhalb von 100 kHz mit steigender Frequenz. Bei 800 kHz tritt jedoch eine Serienresonanz auf, und der Kondensator wird induktiv. Die Induktivität, die aus dem Kondensatorwert und der Resonanzfrequenz berechnet werden kann, ist gleich 1,7 nH, liegt also deutlich über unserem Ziel von 0,3 nH. Glücklicherweise lassen sich Kondensatoren parallelschalten, um die effektive äquivalente Serieninduktivität (ESL) zu verringern. Die untere Kurve in Bild 1 zeigt die Reduktion der Impedanz zweier paralleler Kondensatoren. Interessant ist dabei, dass die Resonanz sich leicht verringert hat, was bedeutet, dass die effektive Induktivität nicht genau die Hälfte beträgt. Auf Basis der Resonanzfrequenz beträgt die Induktivität nun 1,0 nH, entsprechend einer 40-prozentigen Reduktion der ESL statt der erwarteten 50% bei zwei parallelen Induktivitäten. Dieser Effekt hat zwei Gründe: die Verbindungsinduktivität und eine gemeinsame Induktivität zwischen beiden Kondensatoren.

Die Schleifenggröße des Strompfades bestimmt die parasitäre Induktivität bei der Parallelschaltung beider Kondensatoren, und die Größe der Kondensatoren andererseits bestimmt zu einem gewissen Grad die Schleifenfläche. Diese Korrelation von Größe und Induktivität ist in Tabelle 1 offensichtlich. Diese zeigt die Kondensatorinduktivität für verschieden große, oberflächenmontierte Keramikkondensatoren. Im Allgemeinen weisen größere Kondensatoren eine höhere Induktivität auf. Diese Tabelle berücksichtigt nicht die Effekte der Kondensatormontage auf einer Platine, die ja in unseren vorangegangenen Messungen die Induktivität von 1 nH auf 1,7 nH erhöht hat. Ein weiterer interessanter Punkt ist, dass die Position der Terminierung einen bedeutenden Einfluss auf die Induktivität hat. Der 0805-Kondensator besitzt Anschlüsse an der kurzen Seite, während sie beim 0508-Kondensator an der langen Seite liegen. Dadurch wird die Lände des Strompfades beinahe halbiert und verbreitert, was eine signifikante Reduktion der Induktivität zur Folge hat. Diese alternative Konfiguration bietet eine Induktionsverringerung um vier zu eins.

Zusammenfassend ausgedrückt, erfordern hohe di/dt-Lastsprünge eine sorgfältige Dimensionierung der Bypasskondensatoren, um die dynamische Regelung des Netzteils aufrechtzuerhalten. Oberflächenmontierte Kondensatoren müssen sehr nah an der Last montiert sein, um die Verbindungsinduktivität zu minimieren. Bei Kondensatoren tritt parasitäre Induktivität auf, die eine ausreichende Entkopplung verhindert. Eine Parallelschaltung von Kondensatoren zur Reduktion dieser parasitären Induktivität ist effektiv, aber Verbindungs- und gemeinsame Induktivität verringern die Wirkung. Auch die Verwendung von Kondensatoren mit kürzeren Strompfaden ist effektiv. Dies lässt sich durch kleinere Teile oder Teile mit unterschiedlichen Anschlüssen erreichen, bei denen der Strom durch das kürzere Ende fließt.

Seien Sie auch nächstes Mal dabei, wenn wir weiter über hohe di/dt-Lastsprünge und ihre Auswirkungen auf Entwurf und Tests geeigneter Stromversorgungen sprechen. Wir beschäftigen uns dann mit den Bypasskondensatoren der Last selbst und deren Auswirkungen auf die Stromversorgung.

Weitere Informationen zu dieser und anderen Stromversorgungslösungen finden Sie unter www.ti.com/power-ca.

* * Robert Kollmann ... ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments

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