Расчет размаха выходного напряжения с использованием функции компенсации состояния нагрузки в регуляторах LTC3310S-1
Требования для питания современных процессоров: жесткий допуск размаха выходного напряжения при максимально низкой выходной емкости
Напряжения питания ядер современных процессоров устанавливаются на уровнях 1 В и ниже, при этом зачастую требуется обеспечить допуск размаха такого напряжения в узких пределах (1–3%). Например, типичные значения напряжения питания ядра системы на кристалле EYE4Q (разработки компании Mobileye) равны 1 В при максимальном токе 12 А и скорости нарастания 6 А/мкс. При этом максимальные допустимые значения размаха напряжения питания при переходных процессах составляют ±3% (примерно 60 мВ между пиковыми значениями). Источники питания таких процессоров должны быть максимально компактными, но требование сглаживать быстрые переходные процессы (в том числе при резком изменении потребляемого тока) заставляет разработчиков увеличивать выходную емкость регуляторов.
Для достижения стабильности линии питания в серии регуляторов LTC3310-1 предложена функция компенсации состояния нагрузки. Уровень выходного напряжения данного регулятора дополнительно зависит от тока нагрузки (чем выше ток, тем ниже напряжение в рамках допустимых значений). При переходном процессе всплеск напряжения оказывается немного ниже, чем без использования такой функции (рис. 1).

Рис. 1. Осциллограмма переходного процесса c функцией компенсации тока нагрузки LTC3310S-1. Изменение тока 1,5–7,5 А при нарастании 6 А/мкс
Реализация функции компенсации состояния нагрузки в регуляторах LTC3310S-1. Расчет в LTSpice
В SPICE-модели регулятора LTC3310S-1 реализована функция компенсации состояния нагрузки. Сравним расчет схем питания на примере LTC3310S (без функции компенсации) и LTC3310S-1 (с функцией компенсации). На рис. 2 представлена схема включения LTC3310S. Отметим, что для стабилизации выходного напряжения при переходных процессах требуется использовать семь конденсаторов по 47 мкФ (в схеме — C1). Нагрузочный ток меняется в пределах 1,5–7 А (ток через I1).

Рис. 2. Схема регулятора напряжения с LTC3310S. Для стабилизации выходного напряжения при переходных процессах требуется использовать семь конденсаторов по 47 мкФ (в схеме — C1)
В результате расчета получены переходные характеристики с размахом около 55 мВ (рис. 3).

Рис. 3. Выходное напряжение при изменении выходного тока в пределах 1,5–7 А и обратно, расчет схемы с LTC3310S
На рис. 4 представлена схема регулятора напряжения с LTC3310S-1. Для стабилизации напряжения при использовании функции компенсации состояния нагрузки достаточно пяти конденсаторов 47 мкФ. При этом расчетное значение размаха изменения выходного напряжения составляет примерно 23 мВ, что хорошо согласовывается с данными из лаборатории на тестовой плате, где получается значение не более 30 мВ.

Рис. 4. Схема регулятора напряжения с LTC3310S-1 с функцией компенсации состояния нагрузки. Для стабилизации выходного напряжения при переходных процессах достаточно использовать пять конденсаторов по 47 мкФ (в схеме — C1)

Рис. 5. Выходное напряжение при изменении выходного тока в пределах 1,5–7 А и обратно, расчет схемы с LTC3310S-1
Заключение
SPICE-модель LTC3310S-1 хорошо описывает функцию компенсации состояния нагрузки и помогает оценить схему регулирования в различных рабочих состояниях. Инженер-разработчик может оптимизировать набор выходных емкостей и обеспечить максимально компактный дизайн.