改善電源負載瞬態響應性能的設計方法
電子電路一般都需要一個即使在負載電流發生瞬變時,輸出電壓也能維持在特定容差范圍內的電壓源,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響應性能。
瞬態定義為“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,當負載電流發生瞬態變化時,穩壓器在指定范圍內保持輸出電壓的能力成為一個廣泛存在的困擾。典型CPU芯片的電源規范要求,即使負載電流在幾百納秒內發生20或30A的變化,供電電壓仍然要保持穩定,要實現這個性能指標絕非易事。
瞬態響應可能是電子電壓調節里最難理解的概念之一。在過去曾有一個曾經有人做出一個完全錯誤的陳述:“我們新推出的穩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性能和在不犧牲瞬態的情況下怎樣節省成本,你需要理解瞬態響應是什么以及它的工作原理。
電壓調節
幾乎所有的電子電路都需要一個穩定的電壓源,它維持在特定容差范圍內,以確保正確運行(典型的CPU電路只允許電壓源與額定電壓的最大偏離不超過±3%)。該固定電壓由某些種類的穩壓器提供。通過電阻分壓器自動檢測輸出電壓,誤差放大器不斷調整電流源從而維持輸出電壓穩定在額定電壓上。
穩壓器必須能夠在負載電流需求量從零上升到滿負荷(大約為20A或更多)時,保持輸出電壓恒定。當負載電流需求量緩慢變化時很容易做到這一點,但是,如果負載電流“階躍”足夠快的話,穩壓器將無法提供完全穩定的輸出電壓。
理解負載瞬變的關鍵點:
1. 穩壓器擔當驅動負載的壓控電流源(通過輸出端的電壓反饋對電流源進行調節)的角色。穩壓器的電流源永遠不可能在零時間內作出變化,因此可以得出結論,如果我們使負載電流的變化速度超過穩壓器的響應速度,輸出電壓將會發生變化。
2. 在穩壓器的控制環路對負載變化進行調整的時間間隔,對負載電流變化(在先前的穩態值和新的負載電流之間)進行供給的唯一來源是輸出電容。因此,不管你喜歡與否,我們都必須加入輸出電容以試圖在負載瞬變時維持輸出電壓恒定。系統規范規定了所必須使用電容的大小和種類。
3. 穩壓器的速度越快越好。穩壓器的控制環路響應速度越快,在環路糾正瞬變前輸出電容上的電壓變化就越小。因此可以看出,更快的穩壓器意味著在獲得同等“負載調節容差范圍”的情況下能夠采用更小的輸出電容(節省成本)。
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