什麼是暫態響應?

一個理想的電源轉換器，無論負載如何變化皆需要維持穩定的輸出電壓。但是，在實際應用上，輸出負載的變動，皆會影響到輸出電壓的變化，例如在穩態時給予不同的負載所量測到的輸出電壓變化量，即為負載變化率。在暫態時的負載變化，就必須要考量輸出電壓的突升與突降，以及恢復時間。這三個指標皆是仰賴轉換器內部的回授電路的補償機制

本文將介紹暫態響應的發生過程，以及影響暫態響應的因素，並藉由實際的波形量測，觀察輸出電壓在不同條件下的變化，並提供改善建議。

 

1. 暫態響應(Transient response)

當負載急劇變化時，輸出電壓會產生反應狀態，也就是輸出電壓上升或下降之後回復到設定值的過程，稱之為暫態響應。

以下藉由電源轉換器來進行分析暫態響應如何發生，圖1為電源轉換器的電路示意圖，圖2顯示電源轉換器的輸出負載從輕載到重載，同時間輸出電壓與電感電流反應的過程。在大電流的變化下，不能將電容視為理想的電容器，而必須考慮寄生元件，包含等校串聯電阻(ESR)以及等校串聯電感(ESL)。

當負載變動，輸出電流瞬間變大時，由於轉換器無法立即反應提供足夠的電流，此時輸出電容放電以彌補輸出電流的不足，而輸出電容的ESR與ESL皆會使輸出電容兩側的電壓降低。ESR造成電壓下降(Drop)，並與負載變化的程度有正相關。ESL使輸出電容兩側的電壓降低並產生突波(Spike)，根據電感的特性，ESL產生的突波與負載變化的時間有關係，若負載上升時間越快，則ESL產生的電壓突波越大。

接著當輸出電壓的下降被誤差放大器偵測到，回授系統開始反應，提高補償器的電壓，並增加開關Q1導通的時間，使得電感電流上升以應付增加的負載電流，並對電容充電，使輸出電壓趨向穩定。

由暫態響應的測試可以得知轉換器在輸出電壓的穩定度，在電源的規格書上一般會有定義，暫態響應的回復時間與輸出電壓的公差。測量時必須注意的是，使用的負載變動時間要遠小於轉換器的回復時間(Transient recovery time)，以及負載瞬變的週期必須大於轉換器的回復時間，否則無法從波形上顯示出穩定性問題。

下圖為典型的暫態響應波形。此案例為輸出12VDC，負載由75%到100%再到75%，最大電壓變化為100mV，相當於0.8%，響應時間為250ms。可看到電壓瞬變回復的過程為平滑曲線，顯示了穩定的電路特性。

2. 影響暫態響應與回復時間的因素

在一般控制架構中會影響暫態響應的表現有幾個因素，首先在整個迴路中所使用的元件，例如光耦合、二極體以及變壓器等，這些元件都會有反應時間，意思是當負載變動之後，經過最小延遲時間後才開始反應，此最小延遲時間並非代表暫態響應時間，而只是其中一小部分。

主要影響暫態響應的因素如內部誤差放大器的補償水準，誤差放大器用來調節PWM脈寬調變(Pulse Width Modulation)，PWM會調變電晶體的導通時間，以因應輸出電壓的變化。以及控制環路的頻寬會影響調節速度，當頻寬越大時，對於負載變化可以更快速的進行調節。

在外部條件有兩個因素會影響暫態響應，其一是輸出電容，當容值越大可以降低電壓的瞬間變化，但會增加響應時間。第二是負載電流的變化幅度與速度，當負載電流上升或下降的速度越緩慢，輸出電壓的暫態峰值越小，另外當負載電流的瞬間變化越大，會造成輸出電壓瞬間電壓下降或上升越多。

3. 測試波形

• 電容差異

在固定負載變動為50%至100%的情況下，變化條件為輸出電容的容值。由以下三張波形可明顯看出，輸出電容越大，輸出電壓變化程度減小，但回復時間會增加。

• 負載變動程度差異

 

在固定輸出電容為100uF的條件下，改變負載變動，觀察暫態響應的變化。當負載瞬間變化越大時，會造成電壓變化程度越大，且回復時間也會增加。

• 負載斜率

 

固定輸出電容的容值以及負載變動程度為75%至100%，唯一的變因為負載的斜率變化。由下圖可看出，當負載變化斜率越小，也就是負載電流上升或下降的速度越慢時，輸出電壓的變化越小。

4. 改善方法

• 增加輸出電容

要降低暫態響應的電壓瞬變，最容易改善的方式為增加輸出電容，但仍然須要考慮ESR及ESL的問題。陶瓷電容的ESR較低，也是在降低電壓瞬變方案中較佳的選擇。一般會將陶瓷電容放置於靠近實際應用的負載端，除了可以降低電壓瞬變，也避免轉換器的控制環路發生震盪。除此之外，可以加入電解電容在靠近轉換器的輸出端，當負載發生躍階時，電解電容在最初期會產生快速的反應，使得回授電路能夠快速的響應，這對於回授反應速度較慢的電路中會有幫助。

 

• Layout的建議

在動態負載下，轉換器和負載之間的距離可能會影響輸出電源的品質，因為路徑上的寄生電阻和電感，會使輸出電壓產生壓降，造成較差的負載調節特性，因此轉換器和負載需要放在盡可能靠近的位置。為了要降低負載暫態響應程度，一般會增加輸出電容來減緩瞬間的電壓瞬變，放置的位置在主要的電流路徑上最能發揮作用。

 

5. 結論

眾多電子產品隨著市場趨勢，偏向需要更快速以及更大電流的需求，在電源的選用上，輸出電壓穩定的產品更受青睞。利用暫態響應測試可以了解控制迴路的穩定性，可看出輸出電壓瞬變的程度、電壓回復所需的時間，以及是否發生震盪。在了解影響暫態響應的因素之後，便可以找出最適當的改善方式，獲得更穩定的電源。

 

 

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