什麼是瞬態響應？

無論負載如何變化，理想的電源轉換器都需要保持穩定的輸出電壓。 然而，在應用中，輸出負載階躍會影響輸出電壓。 例如，穩態下不同負載測得的輸出電壓變化量就是負載調整率。 當負載發生瞬態變化時，需要考慮輸出電壓的過衝、下沖和恢復時間。 這三個指標都依賴於變流器的補償系統。 本文將介紹瞬態響應的發生過程和影響瞬態響應的因素，並通過實際波形測量觀察不同條件下輸出電壓的變化，並提出改進建議。

1. 瞬態響應

當負載瞬間變化時，輸出電壓會產生反應。 換言之，輸出電壓上升或下降後恢復到設定值的過程，稱為瞬態響應。

下面是用電源轉換器來分析瞬態響應是如何發生的。 圖1是電源轉換器的電路原理圖。 並且圖2顯示了當負載電流由輕到重時，輸出電壓和電感電流同時反應的過程。 在電流變化的情況下，電容不能算是理想的電容，必須考慮寄生因素，包括等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。

當負載階躍和輸出電流瞬間增加時，轉換器無法立即響應提供足夠的電流。 所以輸出電容放電來彌補輸出電流的不足，輸出電容的ESR和ESL會使輸出電容兩端的電壓下降。 ESR 會導致電壓下降，並且與負載變化的程度呈正相關。 ESL 會降低輸出電容兩側的電壓並產生尖峰。 根據電感的特性，ESL產生的尖峰與負載瞬態時間有關。 如果負載上升得越快，產生的電壓尖峰就越大。

當誤差放大器檢測到電壓降時，反饋系統會增加補償器的電壓，增加開關 Q1 的導通時間。 使電感電流上升以滿足增加的負載電流，電容開始充電。 輸出電壓趨於穩定。

瞬態響應測試可以了解轉換器輸出電壓的穩定性。 電源轉換器的規格通常定義了瞬態響應時間和輸出電壓的容差。 測量時必須注意負載瞬態時間要遠小於瞬態恢復時間，負載瞬態週期必須大於轉換器的恢復時間，否則波形上無法顯示穩定性問題。

下圖顯示了一個典型的瞬態響應波形。 本例輸出為12VDC，負載從75%到100%到75%，最大電壓變化為100mV，相當於輸出電壓的0.8%，恢復時間為250ms。 電壓暫態恢復過程是一條平滑的曲線，表現出穩定的電路特性。

2.影響瞬態響應的因素

在一般控制系統中，有幾個因素會影響瞬態響應的性能。 首先，整個迴路中使用的元件，如光耦合、二極管、變壓器等，都有延遲時間。 這意味著當負載發生變化時，轉換器將在最小延遲時間後開始反應。 這個最小延遲時間並不代表瞬態響應時間，而只是它的一小部分。

影響瞬態響應的主要因素如內部誤差放大器的補償水平。 誤差放大器用於調整PWM（脈衝寬度調製），PWM調製晶體管的導通時間以響應輸出電壓的變化。 並且控制迴路的帶寬會影響調整的速度。 當帶寬較大時，負載瞬態可以更快地調整。

有兩個因素影響外部條件下的瞬態響應。 一是輸出電容。 如果電容大，可以減少輸出電壓的下衝或過衝，但恢復時間會增加。 二是負載電流的變化幅度和變化率。 當負載電流緩慢上升或下降時，輸出電壓的峰值很小。 此外，當負載階躍幅度增大時，輸出電壓會急劇上升或下降。

3. 波形

• 電容的不同

當負載階躍固定（50% 到 100% 負載）時，唯一的變化是輸出電容的電容值。 從以下三個波形可知，電容越大，輸出電壓的變化越小，但恢復時間會增加。

• 不同大小的載荷步

當輸出電容固定（100uF）時，唯一的區別是負載階躍變化的幅度。 當負載階躍為25%負載（從75%到100%）時，輸出電壓的下衝為50mV，恢復時間為200us。 然後圖 8 和圖 9 顯示負載階躍增加到 50% 和 75% 負載，它使下衝電壓更大，恢復時間需要更長的時間。

• 不同的負載變化率

下圖顯示了不同的負載變化率。 負載電流上升或下降越快，輸出電壓下衝或過衝越大。 相比之下，負載階躍越慢，輸出電壓變化就越小。

4.改進方法

• 添加輸出電容

要獲得穩定的輸出電壓，最簡單的方法是增加輸出電容，但仍然需要考慮 ESR 和 ESL。 陶瓷電容器具有低 ESR，也是降低電壓瞬變的更好選擇。 通常，陶瓷電容器靠近實際應用的負載端放置。 除了減少電壓瞬變外，它還避免了轉換器控制迴路中的振盪。 此外，您可以在轉換器的輸出附近添加一個電解電容。 當有負載階躍時，電解電容會在初始階段快速反應，使反饋電路響應更快，這對慢反饋響應電路很有幫助。

 

• 佈局建議

在動態負載下，轉換器與負載之間的距離可能會影響輸出功率的質量。 並且路徑上的寄生電阻和電感會導致輸出電壓下降並導致負載調節不良。 因此轉換器和負載需要盡可能靠近放置。 為了降低負載瞬態響應的影響，一般會增加輸出電容以降低輸出電壓響應，電容的位置在主電流路徑中最有效。

5。 總結

隨著市場趨勢，許多電子產品往往需要更快、更大的電流。 在電源轉換器的選擇上，輸出電壓穩定的產品更受青睞。 瞬態響應測試可以了解控制迴路的穩定性、負載調整率、瞬態恢復時間和振鈴。 在了解了影響瞬態響應的因素之後，可以找到最合適的改進方法來獲得更穩定的電源轉換器。

 

 

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