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

dianzidianluyibandouxuyaoyigejishizaifuzaidianliufashengshunbianshi
，shuchudianyayenengweichizaitedingrongchafanweineidedianyayuan，yiquebaodianludezhengchanggongzuo。shejigongchengshibixuzailijieshuntaixiangyingyuanlidejichushang
，liyongzhengquedeshejisilucainengyijiaodidechengbengaishandianyuandeshuntaixiangyingxingneng。

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xingCPU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。

總(zong)之(zhi)，為(wei)了(le)掌(zhang)握(wo)在(zai)哪(na)裏(li)投(tou)入(ru)成(cheng)本(ben)才(cai)能(neng)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)和(he)在(zai)不(bu)犧(xi)牲(sheng)瞬(shun)態(tai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)怎(zen)樣(yang)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)，你(ni)需(xu)要(yao)理(li)解(jie)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)是(shi)什(shen)麼(me)以(yi)及(ji)它(ta)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)。

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%)。該(gai)固(gu)定(ding)電(dian)壓(ya)由(you)某(mou)些(xie)種(zhong)類(lei)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)提(ti)供(gong)。通(tong)過(guo)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)器(qi)自(zi)動(dong)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)不(bu)斷(duan)調(tiao)整(zheng)電(dian)流(liu)源(yuan)從(cong)而(er)維(wei)持(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)穩(wen)定(ding)在(zai)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)上(shang)。

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IREGchongfenkaiqi
，congerposhishuchudianyafanhuidaoedingdianya。shuchudianyajiangshangshengbingguochongchaoguoedingzhi，cishisuizhehuanlujixujinxingtiaojie，shuchudianyajiangbeitiaozhengxiajiang。zhezhongqingkuangxia

，huanludexingweifeichangjingquedifanyinglexiangweiyudu(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”，zhexiedianjiedianrongnenggouzaizuichufuzaishuntaibianhuatongguoshiduifuzaitigongzhichi。guoquzaizhefangmianjingchangshiyongtandianrong，xianzaiyinweihuozaiyinhuanfangmiandekaolvyijingbimianshiyonggaiyuanjian。sanyanggongsideOSCON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. wenyaqidaikuan。juyoujiaodahuanludaikuandewenyaqikeyiduibianhuafuzaijinxinggengkuaisudetiaojie，tongshikeyijianshaoshuchuduandedarongliangdianrongdeshuliang，zhetongguowenyaqizaishunbianfashenghoubujiuxishoucunchuyugaorongliangshurudianrongzhongdedianhelaishixian。yibanlaishuo，xianxingwenyaqidesudujingchangmingxiankuaiyu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。