什么是瞬态响应？

无论负载如何变化，理想的电源转换器都需要保持稳定的输出电压。 然而，在应用中，输出负载阶跃会影响输出电压。 例如，在稳态下对不同负载测得的输出电压的变化量就是负载调整率。 当负载发生瞬态变化时，需要考虑输出电压的过冲、下冲和恢复时间。 这三个指标都依赖于转换器的补偿系统。 本文将介绍瞬态响应的发生过程及影响瞬态响应的因素，通过实际波形测量观察不同条件下输出电压的变化，并提出改进建议。

1. 瞬态响应

当负载瞬间发生变化时，输出电压会产生反应。 换言之，输出电压上升或下降后恢复到设定值的过程，称为瞬态响应。

下面是电源转换器用来分析瞬态响应是如何发生的。 图1是电源转换器的电路原理图。 图2显示了当负载电流由轻到重时，输出电压和电感电流同时反应的过程。 在电流变化的情况下，电容不能视为理想的电容器，因此必须考虑寄生元件，包括等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。

当负载阶跃和输出电流瞬间增加时，转换器无法立即响应以提供足够的电流。 所以输出电容放电来弥补输出电流的不足，输出电容的ESR和ESL会使输出电容两端的电压下降。 ESR 会导致电压下降，并且与负载变化的程度呈正相关。 ESL 降低输出电容器两侧的电压并产生尖峰。 根据电感的特性，ESL产生的尖峰与负载瞬态时间有关。 如果负载上升得越快，产生的电压尖峰就越大。

当误差放大器检测到压降时，反馈系统会增加补偿器的电压并增加开关Q1的导通时间。 使电感电流上升以满足增加的负载电流，电容开始充电。 输出电压趋于稳定。

瞬态响应测试可以了解转换器输出电压的稳定性。 电源转换器的规格通常定义了瞬态响应时间和输出电压的容差。 测量时必须注意负载瞬态时间应远短于瞬态恢复时间，负载瞬态周期必须大于转换器的恢复时间，否则波形上无法显示稳定性问题。

下图显示了典型的瞬态响应波形。 在这种情况下，输出为12VDC，负载从75%到100%到75%，最大电压变化为100mV，相当于输出电压的0.8%，恢复时间为250ms。 电压瞬态恢复过程是一条平滑的曲线，表现出稳定的电路特性。

2. 影响瞬态响应的因素

在一般控制系统中，有几个因素会影响瞬态响应的性能。 首先，整个回路中使用的元件，如光耦合、二极管、变压器等，都有延迟时间。 这意味着当负载变化时，转换器将在最小延迟时间后开始反应。 这个最小延迟时间并不代表瞬态响应时间，而只是其中的一小部分。

影响瞬态响应的主要因素如内部误差放大器的补偿水平。 误差放大器用于调节PWM（Pulse Width Modulation），PWM调制晶体管的导通时间以响应输出电压的变化。 并且控制回路的带宽会影响调整的速度。 当带宽较大时，负载瞬态可以更快地调整。

有两个因素会影响外部条件下的瞬态响应。 一是输出电容。 如果电容大，输出电压的下冲或过冲可以减少，但恢复时间会增加。 第二个是负载电流的变化幅度和变化率。 当负载电流缓慢上升或下降时，输出电压的峰值很小。 此外，当负载阶跃的幅度增加时，输出电压会急剧上升或下降。

3. 波形

• 电容的不同

当负载阶跃固定（50% 到 100% 负载）时，唯一的变化是输出电容器的电容值。 由以下三个波形可知，电容越大，输出电压变化越小，但恢复时间会增加。

• 不同大小的载荷步

当输出电容固定（100uF）时，唯一的区别是负载阶跃变化的幅度。 当负载阶跃为25%负载（从75%到100%）时，输出电压下冲为50mV，恢复时间为200us。 然后图 8 和图 9 显示负载阶跃增加到 50% 和 75% 负载，这使得下冲电压更大，恢复时间需要更长的时间。

• 负载变化率不同

下图显示了不同的负载变化率。 负载电流上升或下降越快，输出电压下冲或过冲越大。 相比之下，较慢的负载阶跃导致输出电压变化较小。

4.改进方法

• 添加输出电容

要获得稳定的输出电压，最简单的方法是增加输出电容，但仍然需要考虑 ESR 和 ESL。 陶瓷电容器具有低 ESR，也是减少电压瞬变的更好选择。 通常，陶瓷电容器放置在实际应用的负载端附近。 除了减少电压瞬变之外，它还避免了转换器控制回路中的振荡。 此外，您可以在转换器的输出附近添加一个电解电容。 当有负载阶跃时，电解电容会在初始阶段快速反应，从而使反馈电路响应更快，这对慢反馈响应电路很有帮助。

 

• 布局建议

在动态负载下，转换器与负载之间的距离可能会影响输出功率的质量。 并且路径上的寄生电阻和电感会导致输出电压下降并导致负载调节不佳。 所以转换器和负载需要尽可能靠近放置。 为减少负载瞬态响应的影响，一般增加输出电容以降低输出电压响应，电容器的位置在主电流路径中最有效。

5。 总结

随着市场趋势，许多电子产品往往需要更快更大的电流。 在电源转换器的选择上，输出电压稳定的产品更受青睐。 瞬态响应测试可以了解控制回路的稳定性、负载调整率、瞬态恢复时间和振铃。 在了解影响瞬态响应的因素后，可以找到最合适的改进方法以获得更稳定的电源转换器。

 

 

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