實測干貨分享|如何使用示波器和AFG測試電源的負載瞬態(tài)響應？

應用背景

對于具有比較穩(wěn)定的負載的通用型DC/DC轉換器來說，快速的回路響應特性是不需要的，因而也不必進行負載瞬態(tài)響應特性的測試。但在把快速階躍變化的負載施加到一個穩(wěn)壓器上時，必然在很寬的頻帶內對調節(jié)回路造成沖擊，在某些情況下甚至可能逼迫它們運行在控制回路的極限之下。

通過將一個快速變化的階躍負載施加到一個轉換器的輸出端，再對其輸出電壓的響應過程進行分析，可讓我們快速而且容易地知道這個轉換器在面臨這樣的狀況時能否維持其輸出電壓的穩(wěn)定，同時也能凸顯出可能存在的環(huán)路穩(wěn)定性問題、電源供應的穩(wěn)定性問題、斜坡補償問題、負載調節(jié)性能和PCB布局問題。

圖1顯示了一個電流模式Buck轉換器在其負載發(fā)生1A快速跳變時典型的響應過程，其輸出電壓正常值VOUT NOM = 3.3V。

圖1. 電流模式Buck轉換器面對快速瞬變負載時的響應

電流模式轉換器對負載的階躍變化不能做出即時響應，所以，當負載發(fā)生階躍變化的時候，供給負載的電流最初是來源于輸出電容里的儲能。面對負載的快速跳變，輸出電容的ESR和ESL首先起作用，在輸出電壓上表現為一個不大的跳變和尖峰，然后才是輸出電容放電的開始，這將造成輸出電壓的下沉。

輸出電壓的下降將被誤差放大器感知到，相應地，這將導致VCOMP的上升，這又會增加開關Q1導通的占空比，電感電流因此增大以滿足負載增大了的需要。在此過程中，電壓下沉的幅度和恢復的時間將取決于多種因素：輸出電容的大小，負載電流跳變的幅度和它變化的速度dI/dt，誤差放大器的補償水平和整個控制回路的帶寬。

拋開由ESR和ESL造成的尖峰來看，轉換器的階躍響應過程在這個案例中看起來是非常平滑的，這表明此轉換器的表現是穩(wěn)健的。響應過程中的電壓下沉幅度為75mV，相當于輸出電壓的2.2%，這對大部分3.3V的電源供應來說是可以接受的。需要注意的是，如果我們使用的輸出電容是低ESR的MLCC，由ESR所造成的跳變通常就看不出來。

可能影響轉換器面對負載階躍的響應過程的情形大概有這些：

1. 不穩(wěn)定的控制回路：當控制回路調整得不好時，轉換器的控制作用可能過頭，快速負載階躍可能導致輸出電壓的顛簸或是存在振鈴現象，某些情況下甚至可能進入振蕩狀態(tài)。

2. 不穩(wěn)定的電源供應：轉換器輸出端的負載跳變會導致轉換器輸入端的電源供應器的負載跳變。假如電源供應器的穩(wěn)定性不好，或者是與轉換器匹配得不好，則電源供應器自身就可能振蕩起來，這必然會傳遞到轉換器的輸出端，看起來就像轉換器的控制回路不穩(wěn)定一樣。

3. 斜坡補償問題：電流模式轉換器采用斜坡補償方法避免高占空比應用中可能出現的次諧波振蕩。為了讓斜坡補償工作正常，適當程度的電感電流紋波是必須的。電感選擇不當會導致不當的電流紋波，并在遇到階躍負載時出現不穩(wěn)定的次諧波。

4. 在占空比極限下工作：當轉換器在靠近最小/最大占空比的狀態(tài)下運行時，負載的快速階躍變化將使轉換器觸及占空比的極限，這將導致輸出電壓下沉或上沖過度，某些時候甚至會造成轉換器運作在保護模式下。

5. PCB布局問題：假如由于PCB布局而造成的阻抗出現在轉換器的小信號環(huán)節(jié)和功率環(huán)節(jié)上，電壓的耗損和噪聲的耦合就會發(fā)生，這將劣化轉換器對階躍負載的響應特性。假如負載處在遠離轉換器的地方，多出來的路徑阻抗會在負載增加時導致電壓的下沉，劣化轉換器的負載調整性能。此外，當負載發(fā)生跳變時，路徑電感也能導致振鈴信號的出現。

下圖顯示了一個3.3V / 3A轉換器負載階躍響應較差和良好的例子。左邊的例子顯示調節(jié)器輸出電壓在負載暫態(tài)后出現嚴重的振鈴現象，說明控制回路具有邊際穩(wěn)定性。在大多數情況下，這與反饋回路補償結合輸出電容值有關。