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2017.09.07 DC/DC

开关稳压器的评估:负载瞬态响应的探讨、测量方法

开关稳压器的特性和评估方法

接着说明“开关稳压器的评估”第3项“负载瞬态响应的探讨、测量方法”。

何谓负载瞬态响应

负载瞬态响应是指针对急剧负载变动的输出响应特性,也就是说,下降或上升的输出电压返回到设定值为止的时间或波形。与负载调节不同,如文字所述为瞬态状态的特性。英语是Transient response(瞬态响应),具体现象以下图说明。

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由左图波形中可知,负载电流(下方波形)以上升时间(tr)1μsec之高速从零上升。相对的,输出电压(上方波形)因电压瞬间下降后急速上升,稍微超过原本恒定时的电压再下降,呈现稳定状态。此外,想必也可知道负载电流急剧下降时会产生此相反之反应。

简单说来,负载上升时迫切需要电流,因输出来不及供给电流故电压会下降。为使已下降的电压返回至设定值,输出须供给好几次周期的最大电流,然而一供给过多的话电压会上升一些,于是这次又降低电流供给来配合设定值。对此,在某程度上请视为正常的负载瞬态响应。有其他因素或异常时,除了此现象外也可包含其他现象。

所谓理想的负载瞬态响应,意指针对负载电流的变动以短暂的开关周期(短时间)进行反应,将输出电压的下降(上升)设至最低限度并使其于最低限度的时间恢复而稳定,总之如图中须状波形的瞬态电压的发生会变得极小且短时间。

中央的图表其负载电流的上升/下降时间为10μsec、右边则为100μsec。此例显示,如果负载电流变动穏定的话,响应的轨迹会变好,输出电压变动少。但是,实际上要调整电路中负载电流的瞬态是很困难的。

尽管为此种电源瞬态响应特性,然而基本上可以视为与运算放大器的频率特性(相位裕量和交越频率)相同。如果电源的控制环路的频率特性适当且稳定的话,可以将输出电压的瞬态变动抑制在最小限度。

瞬态响应特性的评估要点

评估电源负载瞬态响应时的要点总结如下。

评估电源的负载瞬态响应的要点

  • 根据待机状态检查换醒等针对急剧负载电流变动的输出的稳定性、响应速度。
  • 需要调整频率响应特性时以ITH引脚调整。
  • 虽然可以从所观察的波形来推测相位裕量或交越频率,不过频率特性解析器(FRA)比较便利。
  • 也须探讨是否为正常工作下的响应、电感的饱和、限流功能启动等异常。
  • 无法取得必要的响应特性时应探讨其他控制方式或频率、外置常量。

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瞬态响应特性的评估方法

具体的评估方法说明。实验时须将可瞬间开关负载电流的电路或装置连接于欲评估的电源电路输出,以示波器观察输出电压和输出电流。如果以实机确认的话,须使例如CPU等从待机状态移动至完全运转状态,同样观察输出。

上述评估要点虽然并非无法从观察波形推测相位裕量或交越频率,不过作业相当麻烦。最近所谓频率特性解析器(FRA)的测量仪器相当普及,可以非常简单地测量电源电路的相位裕量或频率特性,故利用FRA非常有效。

实际上,如果实验中没有可以瞬间ON/OFF大电流的适当负载装置时则变得简单一些,可以使用类似右边以MOSFET为开关的电路。当然,tr、tf有必要确认。

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负载瞬态响应的实际和调整例

开关稳压器ICC具备调整响应特性的引脚多有ITH称呼。在IC技术规格所示的应用电路中以其条件提示连接于适当ITH引脚的电容器或电阻的常量和构造成。基本上须以其为始点进行调整使实际制作的电路满足要求。首先,最好应该固定电容器,变更电阻值。

此次以下列“BD9A300MUV”为例,ITH引脚的电容器固定后调整电阻值,并以示波器的波形及FRA的频率特性解析图来表示负载瞬态响应特性如何变化。

① R3=9.1kΩ、C6=2700pF (推荐常量下大致适当的响应和频率特性)
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② R3=3kΩ、C6=2700pF
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※带宽因减少R3的电阻值而变窄,负载响应恶化。
工作本身没有问题,但相位裕量过度。

③ R3=27kΩ、C6=2700pF
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※带宽因增加R3电阻而变宽,负载响应变好,
不过电压变动时会发生铃响(波形扩大部)。
相位裕量,有可能会因扰动而发生异常振荡。

④ R3=43kΩ、C6=2700pF
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※而且一增加R3的电阻值便会发生异常振荡。

以上是ITH引脚的响应特性的调整例。基本上无法完全消除发生于输出电压的电压瞬态,因此须进行调整来使其反应对于供电电路工作不会产生问题。

关键要点:

・瞬态负载种类视电路而定,电源的响应也各有不同,故有必要配合条件调整。

・主要采取调整IC的瞬态响应特性的方法,不过也可通过缓和负载瞬态来对应。

・环路稳定性一低便会发生振荡等异常现象,故观察输出电压波形是不可或缺。

开关稳压器的特性与评估方法