電源設計技術資訊網站

電源設計支援工具   English   简体中文   日本語   한국어

2017.07.06 DC/DC

開關式穩壓器的特性和評估方法

接著說明「開關式穩壓器的評估」第3項「負載暫態響應之檢討、測量方法」。

負載暫態響應

所謂負載暫態響應,意指輸出針對急劇負載變動之反應特性,也就是下降或上升之輸出電壓返回到設定値為止之時間或波形。與負載調整率不同,如文字所述為暫態狀態之特性。英語稱為Transient response(暫態響應),具體現象以下圖説明。

16D_graf

由左圖波形中可知,負載電流(下方波形)以上升時間(tr)1μsec之高速從零上升。相對的,輸出電壓(上方波形)因電壓瞬間下降後急速上升,稍微超過原本穩定時之電壓再下降,呈現安定狀態。此外,想必亦可知道負載電流急劇下降時會產生此相反之反應。

以稍微淺顯易懂的方式來說明,負載上升時迫切需要電流,因輸出來不及供給電流故電壓會下降。為使已下降之電壓返回至設定値,輸出須供給好幾次循環的最大電流,然而一供給過多的話電壓會若干上升,於是這次又降低電流供給來配合設定値。此運作在某程度上請視為正常的負載暫態響應。有其他因數或異常時,除了此現象外亦可包含其他現象。

所謂理想的負載暫態響應,意指針對負載電流之變動以短暫的開關循環(短時間)進行反應,將輸出電壓之下降設至最低限度並使其於最低限度之時間恢復而安定,總之如圖中鬚狀波形的暫態電壓之發生會變得極小且短時間。

中央圖其負載電流之上升/下降時間為10μsec,右邊則為100μsec。此例顯示,若負載電流變動穏定的話,反應之軌跡會變佳,輸出電壓變動少。但,實際上要調整電路中負載電流之暫態(Transient)是很困難的。

儘管為此種電源暫態響應特性,然而基本上可以視為與運算放大器(Operational amplifier之頻率特性(相位寬裕度(phase margin)和交越頻率(crossover frequency))相同。如果電源控制電路之頻率特性適當且安定的話,可以將輸出電壓之暫態變動抑制在最小限度。

暫態響應特性的評估重點

評估電源負載暫態響應時之重點整理如下:

評估電源負載暫態響應時之重點

  • 根據待機狀態檢查換醒(wake up)等輸出對急劇負載電流變動之安定性、反應速度。
  • 必須調整頻率反應特性時以ITH端子調整。
  • 雖然可以從所觀察之波形來推測相位寬裕度(phase margin)和交越頻率(crossover frequency),不過頻率特性解析器(FRA)比較便利。
  • 亦須檢討是否為正常運作下之反應、電感之飽和、電流限制功能啟動等異常。
  • 無法取得必要的反應特性時應檢討其他控制方式或頻率、外接定數。

16D_graf02

暫態響應特性的評估方法

說明具體評估方法。實驗時須將可瞬間開關負載電流之電路或裝置連接於欲評估之電源電路輸出,以示波器觀察輸出電壓和輸出電流。若以實機確認的話,須使例如CPU等從待機(stand by)狀態移動至完全運轉(full operation)狀態,同様觀察輸出。

上述評估重點雖然並非無法從觀察波形推測相位寬裕度和交越頻率,不過作業相當麻煩。最近所謂頻率特性解析器(FRA)之測量儀器相當普及,可以非常簡單地測量電源電路之相位寬裕度或頻率特性,故利用FRA非常有效。

實際上,若實驗中沒有可以瞬間ON-OFF大電流之適當負載裝置時則變得簡單一些,可以使用類似右邊以MOSFET為開關之電路。當然,tr、tf有必要確認。

16D_graf03

負載暫態響應的實際和調整例

開關式穩壓器IC具備調整反應特性之端子,大多有ITH之稱呼。在IC數據表顯示之應用電路中以其條件提示連接於適當ITH端子之電容或電阻的定數和構造成。基本上須以其為起始線(start line)進行調整使實際製作之電路符合要。首先,最好應該固定電容,變更電阻値。

此次以下列「BD9A300MUV」為例,ITH端子之電容容量固定後調整電阻値,並以示波器之波形及FRA之頻率特性解析圖來表示負載暫態響應特性如何變化。

① R3=9.1kΩ、C6=2700pF(建議定數下大致適當之反應和頻率特性)
16D_graf04

② R3=3kΩ、C6=2700pF
16D_graf05

※頻寬(bandwidth)因減少R3之電阻値而變窄,負載響應不佳。
運作本身沒有問題,但相位寬裕度過度。

③ R3=27kΩ、C6=2700pF
16D_graf06

※頻寬(bandwidth)因增加R3電阻而變寬,負載響應變佳,不過電壓變動時會發生鈴響(波形擴大部)。
相位寬裕度少,有可能會因擾動(fluctuation )而發生異常振蕩。

④ R3=43kΩ、C6=2700pF
16D_graf07

※而且一增加R3之電阻値便會發生異常振蕩。

以上是ITH端子反應特性之調整例。基本上無法完全消除發生於輸出電壓之電壓暫態,因此須進行調整來使其反應對於供電電路運作不會產生問題。

Power Supply Design Technical Materials Free Download

Power Supply Design Technical Materials Free Download