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      電源技術(shù)和應(yīng)用中電源瞬態(tài)響應(yīng)被你忽略了嗎?

      發(fā)布時間:2014-04-28 責(zé)任編輯:xiongjianhua

      【導(dǎo)讀】電源是所有電子產(chǎn)品和設(shè)備的能量供應(yīng)站,若是電源本身存在缺陷,提供能量就會出現(xiàn)毛病。例如,在電源技術(shù)和應(yīng)用中電源瞬態(tài)響應(yīng)容易被忽略,那么,應(yīng)該怎樣去檢查和改進(jìn)呢?

      如果用示波器對直流電源的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測,這樣有明顯電壓跌落的波形是不是經(jīng)常會看到?


      這是任何電源都存在的正常現(xiàn)象。當(dāng)負(fù)載吸收電流發(fā)生跳變的瞬間,就會造成電源輸出端的電壓瞬間偏離設(shè)定值。這個示波器屏幕的截圖(圖1),就是當(dāng)我的一個電源的負(fù)載電流,從1mA 瞬間變化到500mA時, 輸出電壓經(jīng)歷了約30uS 瞬間變化。


      我們通常稱之為電源的負(fù)載瞬態(tài)恢復(fù)時間,或者瞬態(tài)響應(yīng)時間。它表征的是,當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生突然變化的時候,電源電壓恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)所需要的時間。如圖2所示:


      在表征電源的瞬態(tài)響應(yīng),我們會考慮三個方面:
      1.     負(fù)載的幅度變化,例如,負(fù)載從全負(fù)載的50%, 跳變到100%負(fù)載。對于最大10A輸出電流的電源,就是負(fù)載的電流從5A跳變到了10A。
      2.     電源從開始變化開始,恢復(fù)到負(fù)載改變前設(shè)定電壓的一定范圍之內(nèi)。需要注意的是,由于負(fù)載的改變和電源的負(fù)載效應(yīng)雙重影響,電源電壓不可能回到負(fù)載改變前的值。通常會定義一個電壓范圍,例如恢復(fù)到負(fù)載改變前電壓的±20mV之內(nèi),或 ±0.1% 之內(nèi)。
      3.     瞬態(tài)響應(yīng)時間就是電壓恢復(fù)指定電源范圍內(nèi)需要的時間值。
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      直流電源的瞬態(tài)響應(yīng)時間快慢和跌落的幅度不盡相同。例如,安捷倫N6705B直流電源分析儀中所用的高性能模塊N675xA, 瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)如下: 
       
      又譬如基本性能高功率電源N5700系列的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)為1ms或2ms

       
      再有專門給通信設(shè)備設(shè)計(jì)的66300系列通信電源,則具有最快20us的瞬態(tài)響應(yīng)速度

      瞬態(tài)電壓特性是電源本身固有的特性。 電源內(nèi)部有很多的儲能元件,電壓的調(diào)整需要從輸出回讀、比較標(biāo)準(zhǔn)電壓、調(diào)整開關(guān)占空比等一系列過程。提高控制回路的速度,可以提供更短的瞬態(tài)響應(yīng)時間。 但有可能造成輸出非常不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)振蕩,就像我在圖2中所示的。因此,具備快速瞬態(tài)響應(yīng)能力的電源,通常為了保證輸出質(zhì)量,就必須采用一些更為先進(jìn)的技術(shù),從而提升了成本和價格。
       
      如果電壓瞬態(tài)響應(yīng)能力較差,導(dǎo)致電壓跌落/過沖時間過長,幅度過大,直接會造成很多問題。 特別是對于不停快速變化的負(fù)載,如手機(jī)、Wifi、無線傳感器等這些無線通信的設(shè)備和器件, 其變化速度可能已經(jīng)超過電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力,就會使電源電壓無法達(dá)到其設(shè)定值,甚至還會造成被測件的自動關(guān)機(jī)或重復(fù)啟動。這會讓測量無法正常進(jìn)行。因此,如果有這種應(yīng)用,就必須考慮采用一個更快響應(yīng)能力的電源。
       
      大部分直流電源的瞬態(tài)電壓過沖或跌落幅度不被表征或定義, 這是由于該參數(shù)很大程度上取決與負(fù)載的特性。 通常情況下,這個值會小于1V。 但市面上有些電源的瞬態(tài)響應(yīng)時間過長,如果處理不好,在負(fù)載、電源及導(dǎo)線共同影響下, 過沖電壓可能會達(dá)到1-4V。

      為了減小瞬態(tài)電壓變化幅度,可以采用在電路中并聯(lián)一個大電容的方式,平滑電壓的跌落或過沖幅度,但這也會導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)時間更長,如圖4所示。


      在加入電容后,對提升電路的瞬態(tài)響應(yīng)能力,往往會起到比較明顯的效果。如圖4所示的,我們在用一個通用電源測量GSM手機(jī)脈沖電流,在沒有并聯(lián)電容的時候,瞬間電源跌落會達(dá)到0.6V (見圖4左). 對于一個工作在3.8V的手機(jī)來說,這樣大的電源跌落足以造成手機(jī)自動關(guān)機(jī)。當(dāng)我們并聯(lián)了一個2000uF的電容后,電源跌落降到了0.2V以下,得到明顯改善,見圖4右所示(圖中,黃色曲線為電壓,綠色曲線為電流)。

      此外,并聯(lián)電容的還會帶來以下幾個方面的影響:
      1.  使自動測試系統(tǒng)的速度下降
      2.  降低電流的測量精度
      3.  占用測試夾具的內(nèi)部空間
      4.  影響開關(guān)的壽命
       
      這也是類似手機(jī)等通信設(shè)備測試時采用象66300通信電源這樣具備快速電壓瞬態(tài)響應(yīng)能力的電源的最突出原因之一。

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