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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(shí)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(huì)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(duì)直流電源的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),這樣有明顯電壓跌落的波形是不是經(jīng)常會(huì)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(huì)造成電源輸出端的電壓瞬間偏離設(shè)定值。這個(gè)示波器屏幕的截圖(圖1),就是當(dāng)我的一個(gè)電源的負(fù)載電流,從1mA 瞬間變化到500mA時(shí), 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(shí)間,或者瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。它表征的是,當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生突然變化的時(shí)候,電源電壓恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。如圖2所示:


在表征電源的瞬態(tài)響應(yīng),我們會(huì)考慮三個(gè)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(duì)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(kāi)始變化開(kāi)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(huì)定義一個(gè)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(shí)間就是電壓恢復(fù)指定電源范圍內(nèi)需要的時(shí)間值。
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直流電源的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)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(chǔ)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(kāi)關(guān)占空比等一系列過(guò)程。提高控制回路的速度,可以提供更短的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)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(jià)格。
 
如果電壓瞬態(tài)響應(yīng)能力較差,導(dǎo)致電壓跌落/過(guò)沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng),幅度過(guò)大,直接會(huì)造成很多問(wèn)題。 特別是對(duì)于不停快速變化的負(fù)載,如手機(jī)、Wifi、無(wú)線傳感器等這些無(wú)線通信的設(shè)備和器件, 其變化速度可能已經(jīng)超過(guò)電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力,就會(huì)使電源電壓無(wú)法達(dá)到其設(shè)定值,甚至還會(huì)造成被測(cè)件的自動(dòng)關(guān)機(jī)或重復(fù)啟動(dòng)。這會(huì)讓測(cè)量無(wú)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(gè)更快響應(yīng)能力的電源。
 
大部分直流電源的瞬態(tài)電壓過(guò)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(gè)值會(huì)小于1V。 但市面上有些電源的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),如果處理不好,在負(fù)載、電源及導(dǎo)線共同影響下, 過(guò)沖電壓可能會(huì)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(gè)大電容的方式,平滑電壓的跌落或過(guò)沖幅度,但這也會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng),如圖4所示。


在加入電容后,對(duì)提升電路的瞬態(tài)響應(yīng)能力,往往會(huì)起到比較明顯的效果。如圖4所示的,我們?cè)谟靡粋€(gè)通用電源測(cè)量GSM手機(jī)脈沖電流,在沒(méi)有并聯(lián)電容的時(shí)候,瞬間電源跌落會(huì)達(dá)到0.6V (見(jiàn)圖4左). 對(duì)于一個(gè)工作在3.8V的手機(jī)來(lái)說(shuō),這樣大的電源跌落足以造成手機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)。當(dāng)我們并聯(lián)了一個(gè)2000uF的電容后,電源跌落降到了0.2V以下,得到明顯改善,見(jiàn)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(huì)帶來(lái)以下幾個(gè)方面的影響:
1.  使自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的速度下降
2.  降低電流的測(cè)量精度
3.  占用測(cè)試夾具的內(nèi)部空間
4.  影響開(kāi)關(guān)的壽命
 
這也是類似手機(jī)等通信設(shè)備測(cè)試時(shí)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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