中心議題:

• 對改善電源的瞬態響應性能的方法進行討論

解決方案:

• 穩壓器必須能夠在負載電流需求量從零上升到滿負荷
• 獲得最優的瞬態響應需要優化係統設計參數

電dian子zi電dian路lu一yi般ban都dou需xu要yao一yi個ge即ji使shi在zai負fu載zai電dian流liu發fa生sheng瞬shun變bian時shi，輸shu出chu電dian壓ya也ye能neng維wei持chi在zai特te定ding容rong差cha範fan圍wei內nei的de電dian壓ya源yuan
，以yi確que保bao電dian路lu的de正zheng常chang工gong作zuo。設she計ji工gong程cheng師shi必bi須xu在zai理li解jie瞬shun態tai響xiang應ying原yuan理li的de基ji礎chu上shang，利li用yong正zheng確que的de設she計ji思si路lu才cai能neng以yi較jiao低di的de成cheng本ben改gai善shan電dian源yuan的de瞬shun態tai響xiang應ying性xing能neng。

瞬態定義為“僅維持一段短暫時間的事物"。但(dan)是(shi)
，隨(sui)著(zhe)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)工(gong)作(zuo)速(su)度(du)和(he)電(dian)流(liu)需(xu)求(qiu)量(liang)的(de)提(ti)高(gao)
，當(dang)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)發(fa)生(sheng)瞬(shun)態(tai)變(bian)化(hua)時(shi)，穩(wen)壓(ya)器(qi)在(zai)指(zhi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)保(bao)持(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)能(neng)力(li)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)廣(guang)泛(fan)存(cun)在(zai)的(de)困(kun)擾(rao)。典(dian)型(xing)CPU芯片的電源規範要求
，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。

瞬態響應可能是電子電壓調節裏最難理解的概念之一。在過去曾有一個曾經有人做出一個完全錯誤的陳述：“我們新推出的穩壓器速度之快甚至可以使你不再需要電容。”事實相反，當負載瞬變時(不管這個穩壓器有多快)，你始終需要電容。

zongzhi，weilezhangwozainalitouruchengbencainengtigaoxitongxingnenghezaibuxishengshuntaideqingkuangxiazenyangjieshengchengben，nixuyaolijieshuntaixiangyingshishenmeyijitadegongzuoyuanli。

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電路隻允許電壓源與額定電壓的最大偏離不超過±3%)。gaigudingdianyayoumouxiezhongleidewenyaqitigong。tongguodianzufenyaqizidongjianceshuchudianya，wuchafangdaqibuduantiaozhengdianliuyuancongerweichishuchudianyawendingzaiedingdianyashang。

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
，保持輸出電壓恒定。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。

理解負載瞬變的關鍵點：

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(de)角(jiao)色(se)。穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)源(yuan)永(yong)遠(yuan)不(bu)可(ke)能(neng)在(zai)零(ling)時(shi)間(jian)內(nei)作(zuo)出(chu)變(bian)化(hua)
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)結(jie)論(lun)，如(ru)果(guo)我(wo)們(men)使(shi)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua)速(su)度(du)超(chao)過(guo)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)將(jiang)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。

2. 在穩壓器的控製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)jinxinggonggeideweiyilaiyuanshishuchudianrong。yinci，buguannixihuanyufou
，womendoubixujiarushuchudianrongyishituzaifuzaishunbianshiweichishuchudianyahengding。xitongguifanguidinglesuobixushiyongdianrongdedaxiaohezhonglei。

3. 穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)速(su)度(du)越(yue)快(kuai)越(yue)好(hao)。穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)越(yue)快(kuai)
，在(zai)環(huan)路(lu)糾(jiu)正(zheng)瞬(shun)變(bian)前(qian)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)就(jiu)越(yue)小(xiao)。因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，更(geng)快(kuai)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)獲(huo)得(de)同(tong)等(deng)“負載調節容差範圍”的情況下能夠采用更小的輸出電容(節省成本)。

負載瞬變

為了了解負載瞬變如何發生，下麵用一個例子來進行分析。本例中

，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。

穩壓器的電流源(IREG)不能立即發生變化，因此在“t = 0+”時刻(也就是負載電流增加到IL2的瞬間)，IREG = IL1。通過簡單節點分析得出，此時電流源需要輸出電容：

ICOUT＝IL2－IL1
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COUT將繼續提供電流直到控製環路把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，如圖1所示。

輸出電壓瞬態響應

所有的電容都含有ESR和ESL，二者都會對瞬態響應產生明顯的影響。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響應變化著的電流，這可以通過下麵的公式得出：

V＝Ldi/dt

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，這裏的“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。
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在穩壓器的電流源被控製環路調整到新值之前的時間間隔內


，ESR兩側的分壓降低了輸出電壓(這段時間內COUT放電電荷量也會相應有所減少)。

既然這些因素導致調節後的輸出電壓降到額定值以下
，那麼輸出電壓到誤差放大器的反饋量使得電流源IREG充(chong)分(fen)開(kai)啟(qi)，從(cong)而(er)迫(po)使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)返(fan)回(hui)到(dao)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)。輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)將(jiang)上(shang)升(sheng)並(bing)過(guo)衝(chong)超(chao)過(guo)額(e)定(ding)值(zhi)，此(ci)時(shi)隨(sui)著(zhe)環(huan)路(lu)繼(ji)續(xu)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)
，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)將(jiang)被(bei)調(tiao)整(zheng)下(xia)降(jiang)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，環(huan)路(lu)的(de)行(xing)為(wei)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)地(di)反(fan)映(ying)了(le)相(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)(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麵的"最佳狀況"描述，但它並不典型。

當控製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。

為什麼增/減的負載瞬變不對稱？

存在兩種類型的負載瞬變：負fu載zai電dian流liu突tu然ran增zeng加jia

，或huo者zhe降jiang低di。前qian麵mian的de例li子zi表biao明ming當dang負fu載zai電dian流liu突tu然ran增zeng加jia時shi輸shu出chu電dian壓ya如ru何he發fa生sheng變bian化hua。下xia麵mian的de例li子zi將jiang探tan討tao當dang負fu載zai電dian流liu突tu然ran降jiang低di時shi會hui發fa生sheng什shen麼me情qing況kuang(圖3)。


在這個例子中，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。既然負載現在吸收更少的電流，那麼輸出電容必須吸收IL1和IL2之間的差值
，這將迫使COUT兩側的電壓升高。
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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"(圖4)。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。


既然VOUT升高到額定值以上，反饋將最終導致控製環路關閉(或減小)電流源IREG。但是既然大多數穩壓器都無法將電流吸收到它們的輸出端，VOUT隻能按照COUT向負載的放電速度再次降到額定值(在IREG被減小或者關閉以後)。但是，一旦VOUT下衝到額定值
，控製環路將重新努力開啟IREG並使輸出迅速回轉上升，導致這個循環不斷重複直至達到新的穩定狀態條件
，此時因為IREG等於IL2，COUT將再次沒有電流流入。

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，那麼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回轉上升上
，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。

優化瞬態響應

獲得最優的瞬態響應需要優化係統設計參數，下麵給出設計建議。

1. 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最佳電容，大多數主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
，加電後可以抑製瞬變。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(盡管電解電容可以提供極低的ESR)。

2. 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製
，因此通常用靠近它們的電解電容對陶瓷電容進行“備份”，這(zhe)些(xie)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)能(neng)夠(gou)在(zai)最(zui)初(chu)負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)變(bian)化(hua)通(tong)過(guo)時(shi)對(dui)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)支(zhi)持(chi)。過(guo)去(qu)在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)經(jing)常(chang)使(shi)用(yong)鉭(tan)電(dian)容(rong)，現(xian)在(zai)因(yin)為(wei)火(huo)災(zai)隱(yin)患(huan)方(fang)麵(mian)的(de)考(kao)慮(lv)已(yi)經(jing)避(bi)免(mian)使(shi)用(yong)該(gai)元(yuan)件(jian)。三(san)洋(yang)公(gong)司(si)的(de)OSCON和POSCAP以及鬆下公司的SP電解電容都是具有極低ESR的高容量電容。

3. 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”功能所抑製
，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。

4. 穩(wen)壓(ya)器(qi)帶(dai)寬(kuan)。具(ju)有(you)較(jiao)大(da)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)可(ke)以(yi)對(dui)變(bian)化(hua)負(fu)載(zai)進(jin)行(xing)更(geng)快(kuai)速(su)的(de)調(tiao)節(jie)，同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)大(da)容(rong)量(liang)電(dian)容(rong)的(de)數(shu)量(liang)，這(zhe)通(tong)過(guo)穩(wen)壓(ya)器(qi)在(zai)瞬(shun)變(bian)發(fa)生(sheng)後(hou)不(bu)久(jiu)吸(xi)收(shou)存(cun)儲(chu)於(yu)高(gao)容(rong)量(liang)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)中(zhong)的(de)電(dian)荷(he)來(lai)實(shi)現(xian)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)速(su)度(du)經(jing)常(chang)明(ming)顯(xian)快(kuai)於(yu)開關的速度，這是因為線性穩壓器的單位增益帶寬可以大於500kHz(盡管由於功耗方麵的約束，許多新型處理器芯片的高負載電流需求量要求使用開關轉換器)。一條永遠正確的結論是，速度越快意味著成本也就越高
，並且無一例外地都需要增加大電流穩壓器的帶寬。