改善電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能的設(shè)計(jì)方法

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1、改善電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能的設(shè)計(jì)方法類別：行業(yè)知識(shí)?發(fā)布時(shí)間：2008-1-25?閱讀：859?電子電路一般都需要一個(gè)即使在負(fù)載電流發(fā)生瞬變時(shí)，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(shè)計(jì)工程師必須在理解瞬態(tài)響應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用正確的設(shè)計(jì)思路才能以較低的成本改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)性能。瞬態(tài)定義為“僅維持一段短暫時(shí)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(dāng)負(fù)載電流發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí)，穩(wěn)壓器在指定范圍內(nèi)保持輸出電壓的能力成為一個(gè)廣泛存在的困擾。典型CPU芯片的電源規(guī)范要求，即

2、使負(fù)載電流在幾百納秒內(nèi)發(fā)生20或30A的變化，供電電壓仍然要保持穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)性能指標(biāo)絕非易事。瞬態(tài)響應(yīng)可能是電子電壓調(diào)節(jié)里最難理解的概念之一。在過(guò)去曾有一個(gè)曾經(jīng)有人做出一個(gè)完全錯(cuò)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?！笔聦?shí)相反，當(dāng)負(fù)載瞬變時(shí)(不管這個(gè)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(yīng)是什么以及它的工作原理。圖1：電流增加負(fù)載瞬變的發(fā)生輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)所有的電容都含有ESR和ESL，

3、二者都會(huì)對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響。在一個(gè)增加的電流負(fù)載瞬變過(guò)程中看到的輸出電壓與圖2中顯示的類似。圖2：負(fù)載階躍上升后的VOUTESL導(dǎo)致電容兩側(cè)的電壓下降，該電壓強(qiáng)烈依賴于負(fù)載瞬變的上升時(shí)間：負(fù)載變化越快，ESL在輸出電壓波形上產(chǎn)生的"尖峰"就會(huì)越大。該尖峰在時(shí)間上很窄，這是因?yàn)殡姼袃H僅產(chǎn)生一個(gè)電壓以響應(yīng)變化著的電流，這可以通過(guò)下面的公式得出：V＝Ldi/dt當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到新值(IL2)時(shí)，ESL的電壓尖峰也就結(jié)束。負(fù)載電流瞬變的上升時(shí)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

4、們通常用在器件的管腳處，而這些器件對(duì)快速上升的負(fù)載瞬變有相應(yīng)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”表示)，輸出電容的ESR都會(huì)導(dǎo)致電壓降低。尤其要注意的是，這里的“ESR階躍”是指負(fù)載瞬變時(shí)調(diào)節(jié)輸出端的DC電壓變化。這意味著當(dāng)針對(duì)調(diào)節(jié)電壓所必須滿足的最大允許"電壓容差范圍"進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，ESR成為一個(gè)關(guān)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(shí)間間隔內(nèi)，ESR兩側(cè)的分壓降低了輸出電壓(這段時(shí)間內(nèi)COUT放電電荷量也會(huì)相應(yīng)有所減少)。既然這些因素導(dǎo)致調(diào)節(jié)后的輸出電壓降

5、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(kāi)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(guò)沖超過(guò)額定值，此時(shí)隨著環(huán)路繼續(xù)進(jìn)行調(diào)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(gè)經(jīng)過(guò)較好補(bǔ)償且相位裕度大于40°的環(huán)路，將產(chǎn)生一個(gè)迅速消失的瞬變，而且該瞬變中僅包含一個(gè)大的偏移(如圖2所示)。相對(duì)較小的相位裕度會(huì)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(gè)穩(wěn)定性方面的"最佳狀況"描述，但它并不典

6、型。當(dāng)控制環(huán)路到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)(此時(shí)穩(wěn)壓器的電流源提供的電流是IL2)時(shí)，輸出電容再次停止向電路提供電流。為什么增/減的負(fù)載瞬變不對(duì)稱？存在兩種類型的負(fù)載瞬變：負(fù)載電流突然增加，或者降低。前面的例子表明當(dāng)負(fù)載電流突然增加時(shí)輸出電壓如何發(fā)生變化。下面的例子將探討當(dāng)負(fù)載電流突然降低時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況(圖3)。圖3：電流降低負(fù)載瞬變的發(fā)生在這個(gè)例子中，負(fù)載電流突然從IL1降低到IL2。因?yàn)镮REG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(fù)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

7、間的差值，這將迫使COUT兩側(cè)的電壓升高。如果負(fù)載電流迅速下降，它將在ESL兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰，而且經(jīng)過(guò)ESR流入COUT的電流也將導(dǎo)致一個(gè)ESR"階躍"(圖4)。在尖峰過(guò)后，隨著電容從吸收電流(IL1-IL2)中充電，COUT兩側(cè)的電壓將會(huì)升高。圖4：負(fù)載突然下降時(shí)的VOUT既然VOUT升高到額定值以上，反饋將最終導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)閉(或減小)電流源IREG。但是既然大多數(shù)穩(wěn)壓器都無(wú)法將電流吸收到它們的輸出端，VOUT只能按照COUT向負(fù)載的放電速度再次降到額定值(在IREG被減小或者關(guān)閉以后)。但是，一

8、旦VOUT下沖到額定值，控制環(huán)路將重新努力開(kāi)啟IREG并使輸出迅速回轉(zhuǎn)上升，導(dǎo)致這個(gè)循環(huán)不斷重復(fù)直至達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)條件，此時(shí)因?yàn)镮REG等于IL2，COUT將再次沒(méi)有電流流入。負(fù)載降低瞬變的建立時(shí)間通常大于負(fù)載增加瞬變的建立時(shí)間，這是因?yàn)榍罢咴贑OUT把過(guò)剩電壓放電給負(fù)載階段花費(fèi)了更多的時(shí)間：既然負(fù)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(fù)載增加瞬變把它的大部分時(shí)間都用在使COUT回轉(zhuǎn)上升上，同時(shí)穩(wěn)壓器在該模