基本介紹
- 中文名：瞬態回響
- 外文名：Transient Response
- 前提：系統在某一典型信號輸入作用下
- 性質：系統輸出量從初始狀態到穩定狀態
- 屬於：變化過程
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負載瞬態與瞬變
電壓調節
幾乎所有的電子電路都需要一個穩定的電壓源，它維持在特定容差範圍內，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，保持輸出電壓恆定。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。
負載瞬態
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範圍內的電壓源，以確保電路的正常工作。設計工程師必須在理解瞬態回響原理的基礎上，利用正確的設計思路才能以較低的成本改善電源的瞬態回響性能。
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，穩壓器在指定範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晶片的電源規範要求，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。
負載瞬變
為了了解負載瞬變如何發生，下面用一個例子來進行分析。
當負載電流需求量在幾乎零時間內從IL1變化到更大值(IL2)時發生了負載瞬變。在瞬變之前，穩壓器處於穩態運行，這時IREG= IL1，並且輸出電容沒有向外部電路輸出電流。
COUT將繼續提供電流直到控制環路把IREG提高到IL2為止。在COUT必須提供電流期間，隨著電容放電，它兩側的電壓將會降低。電容的內部寄生等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)同樣也會使COUT兩側的電壓降低。
負載瞬變特點
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，若使負載電流的變化速度超過穩壓器的回響速度，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)進行供給的來源是輸出電容。因此，需加入輸出電容以試圖在負載瞬變時維持輸出電壓恆定。系統規範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。穩壓器的控制環路回響速度越快，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“負載調節容差範圍”的情況下能夠採用更小的輸出電容(節省成本)。
瞬態回響過程及問題
回響過程
所有的電容都含有ESR和ESL，二者都會對瞬態回響產生明顯的影響。在一個增加的電流負載瞬變過程中看到的輸出電壓與圖2中顯示的類似。
ESL導致電容兩側的電壓下降，該電壓強烈依賴於負載瞬變的上升時間：負載變化越快，ESL在輸出電壓波形上產生的“尖峰”就會越大。該尖峰在時間上很窄，這是因為電感僅僅產生一個電壓以回響變化著的電流，這可以通過下面的公式得出：
當負載電流達到新值(IL2)時，ESL的電壓尖峰也就結束。負載電流瞬變的上升時間越短，電感的影響也就越大。大容量陶瓷電容的ESR和ESL都很低，它們通常用在器件的管腳處，而這些器件對快速上升的負載瞬變有相應的要求。
不管電容提供電流還是吸收電流(用波形上的“ESR階躍”表示)，輸出電容的ESR都會導致電壓降低。尤其要注意的是，這裡的“ESR階躍”是指負載瞬變時調節輸出端的DC電壓變化。這意味著當針對調節電壓所必須滿足的最大允許"電壓容差範圍"進行設計時，ESR成為一個關鍵性的考慮因素。
既然這些因素導致調節後的輸出電壓降到額定值以下，那么輸出電壓到誤差放大器的反饋量使得電流源IREG充分開啟，從而迫使輸出電壓返回到額定電壓。輸出電壓將上升並過沖超過額定值，此時隨著環路繼續進行調節，輸出電壓將被調整下降。這種情況下，環路的行為非常精確地反映了相位裕度(環路穩定度)。一個經過較好補償且相位裕度大於40°的環路，將產生一個迅速消失的瞬變，而且該瞬變中僅包含一個大的偏移(如圖2所示)。相對較小的相位裕度會在環路的建立行為上產生額外的“振鈴周期(ring cycle)”。圖2中的波形顯示了一個穩定性方面的“狀況”描述，但它並不典型。
當控制環路到達一個新的穩態(此時穩壓器的電流源提供的電流是IL2)時，輸出電容再次停止向電路提供電流。
對稱問題
存在兩種類型的負載瞬變：負載電流突然增加，或者降低。前面的例子表明當負載電流突然增加時輸出電壓如何發生變化。下面的例子將探討當負載電流突然降低時會發生什麼情況。
電流降低負載瞬變的發生
假設負載電流突然從IL1降低到IL2。因為IREG不能立即降到IL2，最初它將繼續提供IL1大小的電流。既然負載吸收更少的電流，那么輸出電容必須吸收IL1和IL2之間的差值，這將迫使COUT兩側的電壓升高。
如果負載電流迅速下降，它將在ESL兩側產生一個電壓尖峰，而且經過ESR流入COUT的電流也將導致一個ESR"階躍"。在尖峰過後，隨著電容從吸收電流(IL1 - IL2)中充電，COUT兩側的電壓將會升高。
負載突然下降時的VOUT
負載降低瞬變的建立時間通常大於負載增加瞬變的建立時間，這是因為前者在COUT把過剩電壓放電給負載階段花費了更多的時間：既然負載電流需求量有所降低，那么電容的放電速度就變得更加緩慢。負載增加瞬變把它的大部分時間都用在使COUT迴轉上升上，同時穩壓器在該模式下提供了最大電流(通常大於額定輸出電流)。與向負載放電時的降低相比，當被上述大電流以正方向驅動時，COUT兩側的電壓(也就是調節輸出電壓)將會變化得更快。
這表明在大多數情況下，對於負載從額定電流的20%階躍上升到80%的瞬變來說，其輸出電壓重新建立到額定值的速度大於從額定負載電流的80%階躍下降到20%的負載瞬變。即使總的負載電流變化相同，建立時間(以及波形的形狀)也將呈現出很大差異。
P-G瞬態回響
恆電位一恆電流(P一G)瞬態回響技術以及由它所建立的描述鈍化體系P一G回響特徵的數學模型能有效地用於 鈍化穩定性以及孔蝕發生與發展過程的研究。由P一G回響曲線數據可解析表征鈍化膜特徵及穩定性的電化學參數，研究這些參數的變化規律可分析鈍化膜破壞的原因以及孔蝕緩蝕劑的作用。
最佳化回響
獲得最優的瞬態回響需要最佳化系統設計參數，下面給出設計建議。
好鋼用在刀刃上
大容量陶瓷電容是世界上用於降低瞬變的電容，大多數主機板設計上都放置了大量的陶瓷電容(容量可達22μF)，這些電容直接安裝在器件的引腳上，加電後可以抑制瞬變。大容量陶瓷電容通常所具有的ESR阻值低到毫歐姆量級，同時ESL的數值也很低。沒有其它類型的電容能夠同時為ESR和ESL提供像這種級別的性能(儘管電解電容可以提供極低的ESR)。
需要在附近提供一個電荷庫
陶瓷電容所能提供的電容大小有實際限制，因此通常用靠近它們的電解電容對陶瓷電容進行“備份”，這些電解電容能夠在最初負載瞬態變化通過時對負載提供支持。過去在這方面經常使用鉭電容，因為火災隱患方面的考慮已經避免使用該元件。三洋公司的OSCON和POSCAP以及松下公司的SP電解電容都是具有極低ESR的高容量電容。
廉價的大容量電容
通常在穩壓器的輸入端使用大容量、低成本、同時具有高ESR的鋁電解質電容。原因在於輸入端可以忍受高ESR的電容，這是由於ESR引起的“電壓階躍”並不直接影響調節後的輸出電壓，相反它被穩壓器的“線性調整”功能所抑制，該功能通常在穩壓器的輸入端對DC變化提供高達60~80dB的衰減。
穩壓器頻寬
