電子電路一般都需要一個(gè)即使在負載電流發(fā)生瞬變時(shí)，輸出電壓也能維持在特定容差范圍內的電壓源，以確保電路的正常工作。設計工程師必須在理解瞬態(tài)響應原理的基礎上，利用正確的設計思路才能以較低的成本改善電源的瞬態(tài)響應性能。

瞬態(tài)定義為“僅維持一段短暫時(shí)間的事物"。但是，隨著(zhù)微處理器工作速度和電流需求量的提高，當負載電流發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí)，穩壓器在指定范圍內保持輸出電壓的能力成為一個(gè)廣泛存在的困擾。典型CPU芯片的電源規范要求，即使負載電流在幾百納秒內發(fā)生20或30A的變化，供電電壓仍然要保持穩定，要實(shí)現這個(gè)性能指標絕非易事。

瞬態(tài)響應可能是電子電壓調節里zui難理解的概念之一。在過(guò)去曾有一個(gè)曾經(jīng)有人做出一個(gè)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?！笔聦?shí)相反，當負載瞬變時(shí)(不管這個(gè)穩壓器有多快)，你始終需要電容。

總之，為了掌握在哪里投入成本才能提高系統性能和在不犧牲瞬態(tài)的情況下怎樣節省成本，你需要理解瞬態(tài)響應是什么以及它的工作原理。

電壓調節

幾乎所有的電子電路都需要一個(gè)穩定的電壓源，它維持在特定容差范圍內，以確保正確運行(典型的CPU電路只允許電壓源與額定電壓的zui大偏離不超過(guò)±3%)。該固定電壓由某些種類(lèi)的穩壓器提供。通過(guò)電阻分壓器自動(dòng)檢測輸出電壓，誤差放大器不斷調整電流源從而維持輸出電壓穩定在額定電壓上。

穩壓器必須能夠在負載電流需求量從零上升到滿(mǎn)負荷(大約為20A或更多)時(shí)，保持輸出電壓恒定。當負載電流需求量緩慢變化時(shí)很容易做到這一點(diǎn)，但是，如果負載電流"階躍"足夠快的話(huà)，穩壓器將無(wú)法提供完全穩定的輸出電壓。

理解負載瞬變的關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 穩壓器擔當驅動(dòng)負載的壓控電流源(通過(guò)輸出端的電壓反饋對電流源進(jìn)行調節)的角色。穩壓器的電流源永遠不可能在零時(shí)間內作出變化，因此可以得出結論，如果我們使負載電流的變化速度超過(guò)穩壓器的響應速度，輸出電壓將會(huì )發(fā)生變化。

2. 在穩壓器的控制環(huán)路對負載變化進(jìn)行調整的時(shí)間間隔，對負載電流變化(在先前的穩態(tài)值和新的負載電流之間)進(jìn)行供給的唯 一來(lái)源是輸出電容。因此，不管你喜歡與否，我們都必須加入輸出電容以試圖在負載瞬變時(shí)維持輸出電壓恒定。系統規范規定了所必須使用電容的大小和種類(lèi)。

3. 穩壓器的速度越快越好。穩壓器的控制環(huán)路響應速度越快，在環(huán)路糾正瞬變前輸出電容上的電壓變化就越小。因此可以看出，更快的穩壓器意味著(zhù)在獲得同等“負載調節容差范圍”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(fā)生，下面用一個(gè)例子來(lái)進(jìn)行分析。本例中，當負載電流需求量在幾乎零時(shí)間內從IL1變化到更大值(IL2)時(shí)發(fā)生了負載瞬變。在瞬變之前，穩壓器處于穩態(tài)運行，這時(shí)IREG= IL1，并且輸出電容沒(méi)有向外部電路輸出電流。

穩壓器的電流源(IREG)不能立即發(fā)生變化，因此在“t = 0 ”時(shí)刻(也就是負載電流增加到IL2的瞬間)，IREG = IL1。通過(guò)簡(jiǎn)單節點(diǎn)分析得出，此時(shí)電流源需要輸出電容：

COUT將繼續提供電流直到控制環(huán)路把IREG提高到IL2為止。在COUT必須提供電流期間，隨著(zhù)電容放電，它兩側的電壓將會(huì )降低。電容的內部寄生等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)同樣也會(huì )使COUT兩側的電壓降低，如圖1所示。

1：電流增加負載瞬變的發(fā)生

輸出電壓瞬態(tài)響應

所有的電容都含有ESR和ESL，二者都會(huì )對瞬態(tài)響應產(chǎn)生明顯的影響。在一個(gè)增加的電流負載瞬變過(guò)程中看到的輸出電壓與圖2中顯示的類(lèi)似。

圖2：負載階躍上升后的VOUT

ESL導致電容兩側的電壓下降，該電壓強烈依賴(lài)于負載瞬變的上升時(shí)間：負載變化越快，ESL在輸出電壓波形上產(chǎn)生的"尖峰"就會(huì )越大。該尖峰在時(shí)間上很窄，這是因為電感僅僅產(chǎn)生一個(gè)電壓以響應變化著(zhù)的電流，這可以通過(guò)下面的公式得出：

當負載電流達到新值(IL2)時(shí)，ESL的電壓尖峰也就結束。負載電流瞬變的上升時(shí)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(huì )導致電壓降低。尤其要注意的是，這里的“ESR階躍”是指負載瞬變時(shí)調節輸出端的DC電壓變化。這意味著(zhù)當針對調節電壓所必須滿(mǎn)足的zui大允許"電壓容差范圍"進(jìn)行設計時(shí)，ESR成為一個(gè)關(guān)鍵性的考慮因素。

在穩壓器的電流源被控制環(huán)路調整到新值之前的時(shí)間間隔內，ESR兩側的分壓降低了輸出電壓(這段時(shí)間內COUT放電電荷量也會(huì )相應有所減少)。

既然這些因素導致調節后的輸出電壓降到額定值以下，那么輸出電壓到誤差放大器的反饋量使得電流源IREG充分開(kāi)啟，從而迫使輸出電壓返回到額定電壓。輸出電壓將上升并過(guò)沖超過(guò)額定值，此時(shí)隨著(zhù)環(huán)路繼續進(jìn)行調節，輸出電壓將被調整下降。這種情況下，環(huán)路的行為非常精 確地反映了相位裕度(環(huán)路穩定度)。一個(gè)經(jīng)過(guò)較好補償且相位裕度大于40°的環(huán)路，將產(chǎn)生一個(gè)迅速消失的瞬變，而且該瞬變中僅包含一個(gè)大的偏移(如圖2所示)。相對較小的相位裕度會(huì )在環(huán)路的建立行為上產(chǎn)生額外的“振鈴周期(ring cycle)”。圖2中的波形顯示了一個(gè)穩定性方面的"zui佳狀況"描述，但它并不典型。

當控制環(huán)路到達一個(gè)新的穩態(tài)(此時(shí)穩壓器的電流源提供的電流是IL2)時(shí)，輸出電容再次停止向電路提供電流。

為什么增/減的負載瞬變不對稱(chēng)？

存在兩種類(lèi)型的負載瞬變：負載電流突然增加，或者降低。前面的例子表明當負載電流突然增加時(shí)輸出電壓如何發(fā)生變化。下面的例子將探討當負載電流突然降低時(shí)會(huì )發(fā)生什么情況(圖3)。

圖3：電流降低負載瞬變的發(fā)生

在這個(gè)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，zui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，那么輸出電容必須吸收IL1和IL2之間的差值，這將迫使COUT兩側的電壓升高。

如果負載電流迅速下降，它將在ESL兩側產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰，而且經(jīng)過(guò)ESR流入COUT的電流也將導致一個(gè)ESR"階躍"(圖4)。在尖峰過(guò)后，隨著(zhù)電容從吸收電流(IL1 - IL2)中充電，COUT兩側的電壓將會(huì )升高。

圖4：負載突然下降時(shí)的VOUT

既然VOUT升高到額定值以上，反饋將zui終導致控制環(huán)路關(guān)閉(或減小)電流源IREG。但是既然大多數穩壓器都無(wú)法將電流吸收到它們的輸出端，VOUT只能按照COUT向負載的放電速度再次降到額定值(在IREG被減小或者關(guān)閉以后)。但是，一旦VOUT下沖到額定值，控制環(huán)路將重新努力開(kāi)啟IREG并使輸出迅速回轉上升，導致這個(gè)循環(huán)不斷重復直至達到新的穩定狀態(tài)條件，此時(shí)因為IREG等于IL2，COUT將再次沒(méi)有電流流入。

負載降低瞬變的建立時(shí)間通常大于負載增加瞬變的建立時(shí)間，這是因為前者在COUT把過(guò)剩電壓放電給負載階段花費了更多的時(shí)間：既然負載電流需求量有所降低，那么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(shí)間都用在使COUT回轉上升上，同時(shí)穩壓器在該模式下提供了zui大電流(通常大于額定輸出電流)。與向負載放電時(shí)的降低相比，當被上述大電流以正方向驅動(dòng)時(shí)，COUT兩側的電壓(也就是調節輸出電壓)將會(huì )變化得更快。

這表明在大多數情況下，對于負載從額定電流的20%階躍上升到80%的瞬變來(lái)說(shuō)，其輸出電壓重新建立到額定值的速度大于從額定負載電流的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(shí)間(以及波形的形狀)也將呈現出很大差異。

優(yōu)化瞬態(tài)響應

獲得zui優(yōu)的瞬態(tài)響應需要優(yōu)化系統設計參數，下面給出設計建議。

1. 好鋼用在刀刃上。大容量陶瓷電容是世界上用于降低瞬變的zui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，加電后可以抑制瞬變。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(shí)ESL的數值也很低。沒(méi)有其它類(lèi)型的電容能夠同時(shí)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(gè)電荷庫。陶瓷電容所能提供的電容大小有實(shí)際限制，因此通常用靠近它們的電解電容對陶瓷電容進(jìn)行“備份”，這些電解電容能夠在zui初負載瞬態(tài)變化通過(guò)時(shí)對負載提供支持。過(guò)去在這方面經(jīng)常使用鉭電容，現在因為火災隱患方面的考慮已經(jīng)避免使用該元件。

3. 廉價(jià)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(shí)具有高ESR的鋁電解質(zhì)電容。原因在于輸入端可以忍受高ESR的電容，這是由于ESR引起的“電壓階躍”并不直接影響調節后的輸出電壓，相反它被穩壓器的“線(xiàn)性調整”功能所抑制，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. 穩壓器帶寬。具有較大環(huán)路帶寬的穩壓器可以對變化負載進(jìn)行更快速的調節，同時(shí)可以減少輸出端的大容量電容的數量，這通過(guò)穩壓器在瞬變發(fā)生后不久吸收存儲于高容量輸入電容中的電荷來(lái)實(shí)現。一般來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性穩壓器的速度經(jīng)常明顯快于開(kāi)關(guān)的速度，這是因為線(xiàn)性穩壓器的單位增益帶寬可以大于500kHz(盡管由于功耗方面的約束，許多新型處理器芯片的高負載電流需求量要求使用開(kāi)關(guān)轉換器)。一條永遠正確的結論是，速度越快意味著(zhù)成本也就越高，并且無(wú)一例外地都需要增加大電流穩壓器的帶寬。