負載電容與暫態響應的關係

一個可靠的電源轉換器非常注重輸出電壓的穩定性，因此在設計電源轉換器時必須探討應用電路的負載變動對應電源轉換器輸出特性的反應變化量，這個變化量又稱為負載的暫態響應變化量，以下簡稱暫態響應。

本文將探討什麼是暫態響應，並介紹暫態響應如何發生及影響暫態響應的因素，藉由量測DC-DC轉換器中的輸出電壓波形來觀察其對於電路的影響。

 

1、什麼是暫態響應

暫態響應指當輸出負載變化時，輸出電壓從初始狀態到設定值穩定狀態的變化過程，也就是輸出電壓還沒達到穩定狀態的變動量，例如:降壓轉換器的電容充放電中，輸出電壓V_OUT與電感電流I_L反應的過程。輸出等效電容器小訊號模型包含了等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)，兩者均造成輸出暫態的變化，如圖1所示。

當負載電流瞬間變大時，由於轉換器無法立即提供足夠的電流，且輸出電容的ESR和ESL使輸出電容兩側的電壓降低。其中ESR會造成輸出電壓降，ESL則使輸出產生震盪突波。根據電感的特性，ESL產生的突波與負載變化的時間有關係，若負載變化時間越快，則ESL產生的電壓突波越大，如下圖2所示。

緊接著輸出電容開始放電，造成輸出電壓急速下降後被誤差放大器感知到再透過回授迴路調整輸出電壓，並增減功率電晶體(Q1和Q2)的責任週期，使下個週期的電感電流上升以應付增加的負載電流且對輸出電容充電，進而輸出電壓達到的穩壓功能。

圖3是典型的暫態響應波形圖。負載電流由75%到100%再回到75%的量測條件，當負載瞬間變大時，電壓會瞬間驟降再慢慢恢復至設定值，這段期間稱為暫態響應時間，振幅稱為暫態響應電壓，為了將響應的時間與電壓對負載端影響減至最少，可以透過並聯外加電容來減少暫態響應的影響。

 

2、輸出電容對暫態響應的影響要素

影響暫態響應的要素有很多，例如:內部控制迴路的頻寬與斜率補償問題、PCB佈局及使用的元件等等。但這些特性已跟隨產品使用者無法改變，僅能透過外加電容於輸出端改變。但也要注意的是使用大電容時，因為電容等效電阻ESR越低，改變原有電源轉換器控制迴路的零點頻率而影響轉換器響應的頻寬相位邊限不足，反而增加輸出電壓的欠阻尼震盪影響甚至輸出電壓持續震盪，最後拉長暫態響應時間。

表1以降壓轉換器為例(如圖4)做外加電容的實驗。

表 1 . 實驗規格表

Vs	10V
VO	5V
CO	44uF
Lm	14uH
IL slope	125mA/us

使用電子負載控制輸出負載變動量由50%至100%，並調整輸出電容搭配值時，觀察暫態時間及輸出電壓的變化波形。圖5為電容44uF的量測波形，其暫態壓降為73mV。

圖6為電容514uF的量測波形，其暫態壓降為59mV。

圖7為電容6494uF的量測波形，其暫態壓降為39mV。

上圖中Δt為Recovery time

表2. 實驗數據表

Co	44uF	514uF	6494uF
Vo	4.90V	4.90V	4.99V
Io_peak-peak	620mA	620mA	580mA
ΔVo	73mV	59mV	39mV
Δt	1.76mS	1.95mS	2.83mS

 圖5和圖6的恢復時間比較接近，但圖5在沒有外接電容的情況下,輸出電壓壓降明顯高於圖 6。圖7和圖6相比雖然漣波電壓更低，但恢復時間也明顯較長。

 

3、結論

    在新的工業應用領域中AIOT、IIOT其控制單元需及時處理多元的資訊導致負載應用切換負荷量擴大，所以偏向需要響應更快速且更大切換負載功率量的需求；另一方面輸出電壓的高穩定性仍是系統安全設計上需要考量的方向。透用暫態響應測試，進而觀察輸出負載變化下的電壓瞬變觀察電源轉換器輸出的穩定性，並從影響暫態響應的因素之中，找出最適當的改善方式，獲得更穩定且效率更好的電源。

 

 

 

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