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2021.07.07 DC/DC

阶跃响应法

线性稳压器的稳定性优化简易方法

在大容量多层陶瓷电容器(以下简称“MLCC”)并不常见的时代开发出来的线性稳压器,当在线性稳压器输出端连接MLCC等低ESR的电容器时,可能会在线性稳压器反馈环路中发生相位延迟并引起振荡。在这种情况下,可以在线性稳压器中通过与输出电容器串联插入电阻器并增加ESR使相位超前来避免振荡。

确定要串联插入的电阻值时,正确方法是使用频率特性分析仪(FRA)来确认相应电路中的线性稳压器的实际相位裕度。但是,如果无法使用FRA,或者即使可以使用FRA却由于输出电压固定型线性稳压器的反馈环路位于IC内部而无法访问,那么就无法通过FRA来测量相位裕度。其解决方案之一是使用阶跃响应法简单确认线性稳压器的稳定性并对其进行优化。

什么是阶跃响应法?

阶跃响应法是通过使输出负载(输出电流)急剧变化(阶跃),用示波器一边确认此时的输出电压波动(即负载瞬态响应特性),一边调整为理想响应特性的方法。尽管使用这种方法无法测量精确的相位和增益,但即或使用FRA,最终也必须观察并确认实际的阶跃响应情况。从这个意义上讲,虽然涉及到实验基础,但是通过阶跃响应来确认稳定性的方法并不是没有根据的。

下面是测试阶跃响应的电路示例。设置是比较容易的。将电子负载设备连接到线性稳压器的输出端并使负载电流急剧变化,通过示波器监测输出电压和负载电流。

如果没有电子负载设备,也可以使用有晶体管开关的电路进行测试。将函数信号发生器连接到N-ch MOSFET的栅极,并使晶体管快速ON/OFF。当晶体管OFF时,电流为0A;当晶体管ON时,流过VO÷RL的电流。

左:阶跃响应测试电路示例/右:使用了晶体管开关的负载装置

使负载电流以1A/µs的转换速率从比如0A急剧变化到线性稳压器的最大输出电流。受这种又大又急剧的电流阶跃影响,输出电压基本上会发生波动,并在一段时间后稳定下来。通过调整相应的器件常数(在该示例的情况下,是电路图中的RESR),来逐步优化输出电压的波动幅度和达到稳定所需的时间。

关键要点:

・对于线性稳压器而言,当使用MLCC等低ESR的电容器作为输出电容器时,某些线性稳压器可能会发生振荡。

・对于线性稳压器而言,在这种情况下,可以通过与输出电容器串联插入电阻器并增加ESR使相位超前来避免振荡。

・确定要串联插入的电阻值时,通常采用确认其电路中线性稳压器的相位裕度的方法。

・当无法测量相位裕度时,解决方案之一是使用阶跃响应法简单确认线性稳压器的稳定性。