改善電源負載瞬態(tài)響應性能的設計方法

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1、改善電源負載瞬態(tài)響應性能的設計方法類別：行業(yè)知識?發(fā)布時間：2008-1-25?閱讀：859?電子電路一般都需要一個即使在負載電流發(fā)生瞬變時，輸出電壓也能維持在特定容差范圍內(nèi)的電壓源，以確保電路的正常工作。設計工程師必須在理解瞬態(tài)響應原理的基礎上，利用正確的設計思路才能以較低的成本改善電源的瞬態(tài)響應性能。瞬態(tài)定義為“僅維持一段短暫時間的事物"。但是，隨著微處理器工作速度和電流需求量的提高，當負載電流發(fā)生瞬態(tài)變化時，穩(wěn)壓器在指定范圍內(nèi)保持輸出電壓的能力成為一個廣泛存在的困擾。典型CPU芯片的電源規(guī)范要求，即使負載電流在幾百納秒內(nèi)發(fā)生20或30A的

2、變化，供電電壓仍然要保持穩(wěn)定，要實現(xiàn)這個性能指標絕非易事。瞬態(tài)響應可能是電子電壓調(diào)節(jié)里最難理解的概念之一。在過去曾有一個曾經(jīng)有人做出一個完全錯誤的陳述：“我們新推出的穩(wěn)壓器速度之快甚至可以使你不再需要電容。”事實相反，當負載瞬變時(不管這個穩(wěn)壓器有多快)，你始終需要電容。總之，為了掌握在哪里投入成本才能提高系統(tǒng)性能和在不犧牲瞬態(tài)的情況下怎樣節(jié)省成本，你需要理解瞬態(tài)響應是什么以及它的工作原理。圖1：電流增加負載瞬變的發(fā)生輸出電壓瞬態(tài)響應所有的電容都含有ESR和ESL，二者都會對瞬態(tài)響應產(chǎn)生明顯的影響。在一個增加的電流負載瞬變過程中看到的輸出電壓與

3、圖2中顯示的類似。圖2：負載階躍上升后的VOUTESL導致電容兩側(cè)的電壓下降，該電壓強烈依賴于負載瞬變的上升時間：負載變化越快，ESL在輸出電壓波形上產(chǎn)生的"尖峰"就會越大。該尖峰在時間上很窄，這是因為電感僅僅產(chǎn)生一個電壓以響應變化著的電流，這可以通過下面的公式得出：V＝Ldi/dt當負載電流達到新值(IL2)時，ESL的電壓尖峰也就結(jié)束。負載電流瞬變的上升時間越短，電感的影響也就越大。大容量陶瓷電容的ESR和ESL都很低，它們通常用在器件的管腳處，而這些器件對快速上升的負載瞬變有相應的要求。不管電容提供電流還是吸收電流(用波形上的“ESR階躍

4、”表示)，輸出電容的ESR都會導致電壓降低。尤其要注意的是，這里的“ESR階躍”是指負載瞬變時調(diào)節(jié)輸出端的DC電壓變化。這意味著當針對調(diào)節(jié)電壓所必須滿足的最大允許"電壓容差范圍"進行設計時，ESR成為一個關鍵性的考慮因素。在穩(wěn)壓器的電流源被控制環(huán)路調(diào)整到新值之前的時間間隔內(nèi)，ESR兩側(cè)的分壓降低了輸出電壓(這段時間內(nèi)COUT放電電荷量也會相應有所減少)。既然這些因素導致調(diào)節(jié)后的輸出電壓降到額定值以下，那么輸出電壓到誤差放大器的反饋量使得電流源IREG充分開啟，從而迫使輸出電壓返回到額定電壓。輸出電壓將上升并過沖超過額定值，此時隨著環(huán)路繼續(xù)進行調(diào)

5、節(jié)，輸出電壓將被調(diào)整下降。這種情況下，環(huán)路的行為非常精確地反映了相位裕度(環(huán)路穩(wěn)定度)。一個經(jīng)過較好補償且相位裕度大于40°的環(huán)路，將產(chǎn)生一個迅速消失的瞬變，而且該瞬變中僅包含一個大的偏移(如圖2所示)。相對較小的相位裕度會在環(huán)路的建立行為上產(chǎn)生額外的“振鈴周期(ringcycle)”。圖2中的波形顯示了一個穩(wěn)定性方面的"最佳狀況"描述，但它并不典型。當控制環(huán)路到達一個新的穩(wěn)態(tài)(此時穩(wěn)壓器的電流源提供的電流是IL2)時，輸出電容再次停止向電路提供電流。為什么增/減的負載瞬變不對稱？存在兩種類型的負載瞬變：負載電流突然增加，或者降低。前面的例子表

6、明當負載電流突然增加時輸出電壓如何發(fā)生變化。下面的例子將探討當負載電流突然降低時會發(fā)生什么情況(圖3)。圖3：電流降低負載瞬變的發(fā)生在這個例子中，負載電流突然從IL1降低到IL2。因為IREG不能立即降到IL2，最初它將繼續(xù)提供IL1大小的電流。既然負載現(xiàn)在吸收更少的電流，那么輸出電容必須吸收IL1和IL2之間的差值，這將迫使COUT兩側(cè)的電壓升高。如果負載電流迅速下降，它將在ESL兩側(cè)產(chǎn)生一個電壓尖峰，而且經(jīng)過ESR流入COUT的電流也將導致一個ESR"階躍"(圖4)。在尖峰過后，隨著電容從吸收電流(IL1-IL2)中充電，COUT兩側(cè)的電壓

7、將會升高。圖4：負載突然下降時的VOUT既然VOUT升高到額定值以上，反饋將最終導致控制環(huán)路關閉(或減小)電流源IREG。但是既然大多數(shù)穩(wěn)壓器都無法將電流吸收到它們的輸出端，VOUT只能按照COUT向負載的放電速度再次降到額定值(在IREG被減小或者關閉以后)。但是，一旦VOUT下沖到額定值，控制環(huán)路將重新努力開啟IREG并使輸出迅速回轉(zhuǎn)上升，導致這個循環(huán)不斷重復直至達到新的穩(wěn)定狀態(tài)條件，此時因為IREG等于IL2，COUT將再次沒有電流流入。負載降低瞬變的建立時間通常大于負載增加瞬變的建立時間，這是因為前者在COUT把過剩電壓放電給負載階段花

8、費了更多的時間：既然負載電流需求量有所降低，那么電容的放電速度就變得更加緩慢。負載增加瞬變把它的大部分時間都用在使COUT回轉(zhuǎn)上升上，同時穩(wěn)壓器在該模